Bereiding van Freon 114

~--- ----1 _ _ _

,

/

.

\ . J "

,

J .vveijd8ma. 1 Map,rt 1948.

BimEIDING VAN FREON 11.4.

~ Beschouwing over het Freon 114. ~ Nomenclatuur.van de freonen.

Freonen zijn chloor- fluor-derivaten van methaan en aethaan. De cijferbenamingen die bij wijze van afkorting aan de .' . !

vers~hillende freonen worden gegeven (Kinetic Chemicals,Inc.) worden als volgt vastgesteld:

t).Derivaten van methaan worden mat 2 cijfers,die van aethaa met 3 cijfers aangegeven.

2).Het aantal eenheden van het eerste cijfer boven de 1.

1\

duidt het aantal in het molecuul resterende waterstof-atomen aan.

3).Bij freonen afgeleid van methaan geeft het tweàe cijfer het aantal fluoratomen aan. Voor freonen afgeleid vaan aethaan is dit het derde cijfer.

Aldus kunnen worden genoemd:

CHFC1₂ ---F21 kookpunt OF

.

.

48,0

\' ) CHF₂ Cl ---... --F22

- 41,4

CFCl~ ---- .. -F11

',7

74,7

CF₂ C1₂ ---F12

-

Z1,6

CaFaCl.---F112 C2FsCla

---F113

11t7,6

C2F4Cl~---F114

_,8,4

CaFeCI ---F11

5

-

,8

b .Toepassing Val freon 114.

Het freon 114 wondt toegepast als koelmidàel in huishoud-koelinstallaties en in industriee., en commerciele instal-laties, die centrifugaalcompressoren gebruiken. 1i)

n

.R'efrigerat ingData book (Am. Soc .Refr.Eng. ) (1942),11,91. I

Î

\

,--2 ..

11. Bereidingsmethoden.

1.). M_{en kan freonen maken uit hexachlooraethaan met gemengde}

antimoon fluoriden en -chloriden als fluoreringàmiddel

volgens de _{patenten B.P.359 997 (1193 0 ),B.P.378 324. (1l932.),}

U.S.1 930 1.29 (11_{933),F.P. 701 324 (1193l) van A.L.Henne en}

R.R.Mc.Nary,Fr1g1dalre Corp.

BBsentieel _{is hierbij, dat het(metastabiele) smeltpunt van}

het hexachlooraetha-_{an (1i87°C) door middel van SbCla}

-toevoe-o

ging wordt _{verlaagd tot 30 C, zodat het 1n vloeibare phase} gefluoreerd kam worden.

H_{et reactievat wordt in dit geval voorzien van een dephle} g-

-mator, waa_{rvan de temperatuur bij een react1edruk van 1}

atmosfeer volg_{ens het aanvullende franse patent 730 730 (1.931)} voor _{de productie van freon 1.14 op 5°C moet worden gehouden.}

I

Het i~uiteraard _{door het gebruik van een fluoreringsmi}

ddel

dat geregenereedd moet worden, _{een discontinu proces.}

Een dergelijke _{methode wordt ook aangegeven door het canadese}

patent 349 159 (1.935) van H.W.Daudt en M.A.Youker,Kin.Chem.Inc.

De _{antimoonfluoriden kan men bereiden door inleiden van}

HF

in SbC1_{3 , of uit een mengsel van vloeibaar HF met anhydrisch}

-S_{bCl a volgens de volgende patenten: D.p.602 697 ~"~}

I.),

B.P.386 645(1~~1 ) en F.P. 720 el~ll.) van de Kln.Chem.lnc., Can. 350 6 03 (1.935) van R.R.Mc.Nary,Frigidaire _C,orp.,

Can. 351 556 (11935) van H.W.Daudt,M.A.Youker,_{Kin.Chem.lnc.,} evenzo F.P. _{46 349 (11936) (bij 720 474) ,Kin. Chem. Inc.}

2).A.V.Grosse en G.H.Cady _{(Ind.Eflg.Chemistry..l2 (1,947),371)}

vermelden de volgende reacties:

a) CFCl:CFCI , Fa --~ _{CaF4Cla (freen 114)}

b) 2CFCI-CFCI , Fa --~ _{CFa CI-CFCI-CFCl-CFa61.}

D_{e reactie b) zou begunstigd worden bij ~agere temperatuur.} Het _{betreft hier fluorering in vloeibare phase met CopV.}

-

.

;-3). Continue fluorering met HF en 012 van 02014 , of 0a 016 of

andere c~oorderivaten van aethaan tot freonen is mogelijk,

\

indien men

antimoon

~

f l -fluoride als vloeibare fluibr-overdrager gebruikt.

Deze fluoreringsmethode wordt beschreven door de U.S. patenten 2 005 708 tlm 1.0 (11935) van de Kin. Ohem. Inc. (H. W. Daudt en J' .. A

M.A.Youker ).

Andere katalysatoren zijn mogelijk, zoals poreus 2'1 J lbl'fl f" ;'n

alumini~

geimpregneerd met VOl₄ (U.S. 2 005 T07{1.93"5», of met /andere metaalhalogeniden (F.P. 720 474,

46

349, 43 972, / ' / (1.936») dan die van antimoon.

/ '

~~ ' ) Verder is C_aF₄0l₂ ~rreon 114) te bereiden door rluibre~8g in

.,.,JJ

Y

g_{asphase van C.FsOls (freon} 1.1.3) met HF over actieve kool,

r::

r

(U.S'. 2.005 706,Kin.Ohem.Inu.!..}Als nevenproduct ontstaat

~ pentafluorchloo~.aethaan.

Het .continu proces volgens de patentenU.S. 2 005 708l'1

°

werd gekozen als grondslag voor het ontworpen rabrieksschema, omdat het katalyserende antimoonhalogenide n'.t afzonder~j~

behoeft te worden geregenereer~u*zoals dit bij de methoden volgens 1) wel het geval is.

De benodigde apparatuur bestaat voor beide soorten processen 11) en 3) uit 'een rea-ctor en een apparatuur voor de afschei-ding van freon-114 uit de reactiegassen, zodat de investe-ringskosten niet veel uiteen zullen lopen.

Voorts is het continue proces betrekkelijk gemakkelijk op

gang te brengen.

De benodigde grondstoffen zijn:

(gewichtsverhbudingsgetallen) HF

---~---~5

Cla ---~---2.0 C2014 ---4.75 x) S_bCls x _{) eventueel 0} 2016 •

Voorts geven deze patenten aan, dat men het i:: perchlooraethy-leen eventueel kan vervangen door het chloorkoolwaterstof-mengsel, zoals dit ontstaat bij de chlorering over FeOl! of

I

~

-4-~bCl3 van acetyleen en dat bestaat uit:

80,% tetra-chlooraethaan

15% penta-chlooraethaan

5% van een mengsel van C₂C1₄ en C2Cl~.

Deze continue fluoreringsmethode levert zowel freon114 als freon113·

Het freon 113 kan men naar believen recyclen tot freon 114.

lIl. Inrichting van de freon-114 fabrle~.

Volgens E.G.Locke,h.L.Brode en ,l.L.Henne (J.A m. Chem.So~.

~ (1l934), 1,72'7 ) verlaagt elke vervanging van een chloor-atoom in hexachlooraethan.n door een fluoratoom het kookpunt van de verbinding ongeveer 450C.

Door een juiste keuze van de temperatuur van de re flux-kolom op de fluoreringsreactor kan men het gewenste fluoreringsproduct verwijderen, voordat het ~

Qver-"

gefluoreedd zal worden. Eventueel met het product meekomeR-de onmeekomeR-dergelluoreerde verbindingen kan men door recyclen tot de gewenste graad nafluoreren.

Kookpunten,

760

mm. kwik.(g.G.Locke e.a.,loc.cit.) C0lJ?2 -CClF₂ 3.8

°c.

(f reon 114)

CCl2F-CQ~Fa - 2 (asymm. freon 114)

CC1F2-CF_a -38 ifreon 115)

CC1₂F-CC1F₂ 47 lfreon 113)

Als bijproduct kan men dus verwachten het asymm. freon 114.

De desbetreffende patenten maken hier geen melding van.

Het ls aan te nemen, dat de fluor-additie niet in enige mate dit product oplevert.

Uit de reactor komen nu de volgende gassen ~zie bij

hoofdstuk IV):HCl,HF,freon 114, freon 113 bij de tempera-tuur van de reactor,1700C •

I

r

I I I~· I

-5-Tevens zijn in deze gassen kleine hoeveelheden antimoon-hallde-dampen aanwezig.~-Iet basispatent geeft nu aan, dat\

deze uitgewassen kunnen worden met warme

perchlooraethy-~~ 0

leen, bij voorkeur bij een temperatuur van 90 a 1.00 C.

Het schema geeft deze antimoonhalide-wasser aan, waarin de tot op 1000C gekoelde gassen in tep,enstroom met perchloor-aethyleen hun antimoonhaliden afstaan.

Het als wasvloeistof gebruikte perchlooraethyleen wordt als voeding naar de reactor gevoerd.

Zoals het patent aangeeft, geschiedt de fluorering onder een druk van

75

p.s.i.

Hu ligt de dampspanning van freon 113 bij 100°0 bij 66 p.s.i.

1!). De partiële dampspanning in het gasmengsel, zoals dit uit de reactor komt,is echter slechts

5.55

p.s.i. (zie IV,berekenlngen). Onder deze omstandigheden zal er van het freon 113 bij deze temperatuur dus niet~_condenseren.

Er zou echter iets op kunnen lossen in het C2C14-C2Cl~­

mengsel in de wasser.H_{et C2C14} heeft bij 100°C een dam p-spanning van

8.82

p.s.i.2). Aangenomen is, terwijl over de oplosbaarheid van freon 113-gas in C.C1₄ geen gegevens bekend zijn,dat slechts een te verwaarlozen kleine hoe-veelheid van het freon 11..3 oplost en terug in de reactor wordt gevoerd.

De gasdruk is ook in de antimoonhalide-wasser op

75

p.s.i.

o

ge hoaden , om~waar de temperatuur 100 C bedraagt, de ver-vluchtiging van het C₂C1₄ tegen te gaan. Dit heeft n.l. bij 1. atm. een kookpunt van 119°0.

Na het verlaten van de antimoonhalide-was~; er kan het gas ontspannen worden tot ongeveer 1 atm. Het g asmeng-sel doorloopt dan achtereenvolgenà een absorptietoren, waarin de grootste hoeveelheid van het HCI en lW in water worden opgelos t, een absorEtiet~!,~n_ mat kalkmelk

als circulerende vloeisto.f,om de laatste resten HeL en HF op te nemen en tenslotte een scrubber, waarin het mengsel freongassen wordt ~~~!_oogd.~

1

) Refrigerating Data book,r;,)J .s!>.

, I

~

_.

1

-- -- -- - -

-

-6-Deze drie acrubbers worden op een temperatuur van minatesa

55°C gehouden,om condensatie van het .freon 113 tel,v.e.rmijàen. Vervolgens gaat het .freonmengael naar enn

recti.ficeer-kolom, waarin het gesplitst wordt in een .freon 114-fractie

en een freon 113-.fractie.

Van dit laatste product kan een deel weer naar de reactDr worden terug gevoerd om tot freon 114 afgefluoreerd te

worde:l..

IV .Matetiaalbalanaen. Berekeningen.

De bestudeerde pater..ten geven aan, dat bij continu bedrij.f

de invoer van de uitgangsproducten in de volgende

hoevee.-heden geschiedt:

C₂C1_{4 4.75} gew. delen. ,mol. gew.

166

.freon 113 11.25 11 (p.uur )

"

_187.5

CIa 2.0

_"

11

71

HF _2·5 11

"

20

33

ti

De hoeve·üheld benodigd SbC1₃ bedra8gt hierbij ~ gew. àelen. In eerste instantie wordt het C₂C1₄ omgezet in C₂C1

6 : C₂C1₄

•

~ 166

...

0..!.,0286 "" C1₂ ~ C₂Cl_e .(, 2.0 71 o.028~ molen.

IndiH.'1 deze omzetting v::>lj_edtg is, zal dus al het cr.u.oor

worden opgenomen.

Verder is gegeven, dat bij een _{invoer als boven de}

pro-ductie van het .freon-114 4 gew.delen _{per Uur bedraagt.}

De omzettingen zijn dan als volgt: C2 F3 C13

...

Hl" ~ C2F₄C12

""

HCI 1.25 0.133 11.14 0.254 geyv. delen/uur C2 C14 ~C2 C16 - ~t

4HF

~ C2 F 4 C12 ... 4HCl. 2.78 11.34 2.86 2.4L~ g6w.delen/uur (~-1,.14 )

C2C1 4 --. _C2C16 1i.97

<4.75-

2

_{.78 )}

+~3 HF ~ C2 C1 3F3

0.711

2 .. 22 of. 3 HCl 1·30 gew. delen/uur

Gevormd wordt dus: freon

114

4

gew. delen/uur

freon

113

HCl over blijft: HF

---

..

---2.22

3·99

0.31.6

uit

4.75

gew.delen C₂01₄ per uur.

"

"

"

Bij continu bedrijf bedraagt de geprojecteerde invoer:

55.9

lb/hr C2Cl~ "-

14.0

lb/hr C₂ Cl_{e ;} omgerekend op C2C14

ls dit:

55.9

.a.-

2~~x

14.0.6'.7

lb/hr.

Uit de reactor komt dan:

freon

114

----55.4

lb/hr •

0.324

lb.mol/hr. freon

113

----30.

8"

0.163

"

V

HCl

----55.2

"

1

4

"

HF ----'~

.37

ft 1.50₉

0.220

_"

2.216

_"

() , 0

Het volume van deze gassen bedraagt bij

75

p.s.i~ en 212 F

~

60"-212

2.216x359~ o~ 2 cu.ft. •

212.2

cu.ft.

Na het verlaten van de antimoonhalide--waS~ler worden de gas ..

sen ontspannen op ongeveer

66.5

p.s.i.,waarbij de

tempera-tuur zal dalen. Deze druk van

66.5

p.s.i. wordt als volgt berekend:

de dest11latiekolom werkt op 1 atm. lfiervoor wordt eerst de

belangrijke hoeveelheid HCI en HF gecondenseerd, hetgeen met

een drukdaling gepaard zal gaan.De werkelijke druk bij intrede

in de zuurwasser kan uit de moleculaire verhoudingen worden

2

216

'

berekend: • x

14.7 •

66.',p.s.i.

0.163+

0

.324

~en schatting van de temperatuurdaling kan men nu maken,

door te onderstellen, dat het eeru,mengsel ideale gassen

betreft, door gebruikmaking van de fo~ule van Poisson:

Cp log T

66 •

5 _

lOg~~·5

t r

T

₇₅

l

-

-8-De Cp wordt als volgt benaderd berekend:

freon 11,3,5° p.s.i.,212oF: cp=0.172 11)

14.7 u ,1.31" "=0.1,59; af~ngehouden is een I

waarde van 0.1i7 Btu/lb. oF. 0

De moleculaire soortelijke warmte C =1_p 187 .5xo. 1;7=32 Btu/lb.mol F

Voor freon 11.4 is eenzelfde C genomen. Verder ls voor HCI

p . 2

de C _p =36.5xOj9=7.0 en voor HF 20xO.35=7.0. } _.

De C van het gasmengsel bedraagt dan:

p

(o.1,63+O_{.324)x 32 .(O.22Ot1i.5 02)x 7. 0 . = 12.5 Btu./lb.mol oF.}

2.216

Met een waarde voor de gasconstantee:R = 1,.988 Btu/lb.moloF.

,~rY"'"

"berekent men,waar T

75

=2~OF,

voor T66 •5 =615 OR=:

1~F.

Q,tY'''.

1.

~

De gassen moeten met een temperatuur van 131 CF de zuurwasser

I J-, ),~, binnentreden en dienen dus te worden afgekoeld tot deze

I

, )~~ temperatuur. Bij benadering moet dus w~rden argevoerd:

,

v:

.;1~

/.~

~

\V

}

J'~

(155-131 )x1.250x2.216=664 Btu./hr.

Het ls de bedoeling, dat in de eerste zuurscrubber de gro

ot-ste hoeveelheDl ~an het~Cl en het HF verwijderd worden.

Indien men de kleine hoeveelheden HF buiten beschouwing laat,

en men zich tot doel stelt uit de scrubber 1o-proc. zoutzuur at te tappen, dan kan men als volgt de benodigde hoeveelheid water berekenen:

. de partiële dampspanning in

is: 11.509 x760 mm.=5 18 mm.kwikdruk.

2.216

het gasmengsel aan HCI

De partiële dampspanning

},J,

-

~'\-

~

van HCI boven 1.0-proc. zoutzuur isb1j 55° C 0. t05 mIn.

3),

~l.j~

d.w.z. al het HCI wordt

practis~h

verwijderd. .

~~~

Nodig hiervoor is:

fg~55.2

lb. water per uur,d.i. 9x55.2x

.

~)~

~

~0.03531

cu.ft.=47.9 cu.tt./hr.

\), \)Ir / O·~536

~~

~!-

'

)-.-B-e-r-e-k-e-n-d--u-i-t--e-nthalP1e

tabel in Refr.Databook,pag.90.

).Perry,Chem.Eng.Handbook,sec.ed. pag.526.(nomogram)

3).Perry, idem pag 395. Berekend uit:l0tyft11:o.931

3~2~.

-I I I , -(DL

-7""'-Onder dezelfde voorwaarden kan men in het afgetapte zoutzuur practisch al het HF verwachten, ofschoon dit iets minder

oplosbaar is dan het Hel. De ongeveer 500C' lb. water per

uur zouden dan hebben opgenomen: 4.4 lb. HF, dat is een

con-centratie van minder dan 1 o/Oc.;! Waar de oplosbaarheid van

1

CaF₂ ongeveer 0.002 Ib./1.00 lb. water bedraagt, ),zou men

(4.4-~~x0J)1 )lb./hr, dat is practisch al het HF met de juiste

dosering kalk kunnen verwijderen. Het aldus gewonnen zoutzuur zou dan zonder bezwaar te verkope.n zijn.

In de twede serubber moeten de laatste resten zuur m.b.v.

kalkmelk verwijderd worden. Het is duidelijk, dat hier maar een zeer kleine suppletie nodig is. Deze suppletie kan afzonderlijk in een eenvoudig kalkblus-apparaat bereid worden. Dit appa-raat bestaat uit een roterende zeef trommel, waRrin de brokken ongebluste kalk gebracht kunnen worden. Met behulp van een stoomspiraal k~n de temperatuur eventueel op 131 OF gebracht worden, zo het nodig ls, de inhoud van de toren geheel te

2

verversen. in de zwavelzuurtoren )

Hèè aldus gezuiverde en\ gedroogde mengsel

fr~oIlgaSsen

wordt

met een temperatuur van 131 ~F in de fractionneerkolom gevoerd.

De hoeveelheden ~jn:freon 114--- 55.4 lb./hr freon 113--- 30.~ »

Uit de dest1llatietoren komt (zie hoofdstuk VII)

aan destillaat 0.3260 lb.mol/hr met 99% freon 114,d.i. 55.8 lb~l aan bodemproductO.1611 ti

'j " _{113,d.i. 30.2} ft

1).

P~rry

,loc.cit.

pag. 395.

2).Het gasmengsel bevatte bij 131 ° li' verzadigde waterdamp,d.i. -,

met een dampspanning van 2.28 p. si. en dat is dan een hoeveel- "'

I

I

-10-v.

Katalysatorbereiding, in bedrijfstelling van de fabriek. De reactor (zie deel van het schema, behandeld door

T.J.Tiedema.) wordt gevuld met 12.190 lb. S_{bCl s •}

Nu wordt vloeibaar chloor ingevoerd bij een temperatuur van de inhoud van de eeactor van 100 0 C, met een zodanige

snèl-heid, dat een druk van 100 p.s.i. gehandhaard blijrt. Totaal wordt 1

l

367

lb. ingevoerd, d. i. 27.68 lb.mol. Gevormd wordt zo: 27.68x299.5 lb.=8 295 lb. _SbCls , over blijft: 5 850 lb. SbCI_{3 •}

Vervolgens wordt vloeibaar HF ingevoerd met een snelhäd van

1.01.9 lb/hr. bij een druk van 75 p.s.i. Totaall wordt

1,940

lb. ingevoerd. Hierna wordt de HF-toevoer verminderd tot 50.95lb/hr tot totaal 3460 lb. is ingevoerd. .;

De temperatuur van demreactor inhoud wordt nu opgevoerd tot 160

á

165 00 • en nu wordt aaruflde reactor toegevoerd:

HF --- 41.5 lb/hr.

°2014 -- 29.4 ~

02016 -- 7.4 •

012 -_.- 69.5 •

In de eerste uren wordt hoofdzakelijk freonl13 geproduceerd.

Naarmate meer van dit product in tota~l gerecycled kan wor~

den, neemt de hoeveelheid geproduceerd freon-ll4 toe, tot 55.4 lb. bij stationnair verlOOp van het proces. De invoer van perchlooraethyleen wordt hierbij successievelijk ver-minderd en vanzelfsprekend tevens de invoer van het chloor. Bij stationnair verlopen ~ het proces bedraagt dan de invoer:

HF --- 34.6 lb./hr. .

01_{2 --- 23.9 •}

°2014---- 55.-9 •

02016---- 14.0 •

I I .... · I .

1

-

'

1 I _{, - - '} . _ - - -

-11-!I.

Materiaalkeuze. .

De antimoonhalide-wasser moet bestendig zl.Jn tegen de cor-rosieve inwerking van droog HOI- en HF-gas, en moet tevens e

een werkdruk van 100 p.s.i. kunnen weerstaan.

Geschikt hiervoor aal zijn: ~stelloy B,met een samenstelling 62 Ni,30 Xo, 5 Fe.(gew.proc.) ) .

Evenzo zullen de koeler en de volgende twee wastorens van,

dit materiaal uitgevoerd kunnen worden, waar hier bovendien gelet moet 'worden op bestendigheid tegen vochtig HOI,HF. _

Voor de derde toren met zwavelzuurcirculatiekomt lood als constructie-materiaal in aanmerking. Cokes kan hier als VUlling toegepast ~orden.Voor de vulling van de voorgaande scrubbers kan men bij v. Raschigringèn van Xarba te nemen •. Di t is een graphietproduct aet voldoende mechanisc~e eigenSChappen. Aan het materiaal van de'destillatietoren behoeft men geen

speciale eisen te stellen.

m.

Berekening

Van

de destillatie-toren.

Van het binaire •• elsel freon-113/freon~ll4 Zl.Jn in de litte-ratuur geen gegevens bekend. Het kookpunts-diagram is in dit geval danoook berekend ma$ behulp van de p-T-gegev.aas van de componenten en met de (redelijke) veronderstelling, dat voor dit mengsel de wet van Raoult geldig is Deze berekening is uitgevOerd in het aanhangsel (IX).

Allereerst dient voor de berekening de toelaatbare dampsnelheid inde kolom te worden vastgesteld,

Daartoe denken we ons een vloeistofdruPPel'met diameter D zwevend in een opwaarts bewegende turbulente gasstroom.

De weerstand, die het deeltje in de gasstroom ondervindt, is dan in evenwicht met de aantrekking van de zwaartekracht:

bD3

Cr. ...

Pl).g ~ X' .D2.u2.F(D4P" )ft. t)

V

bDs(P -f~)

t'

Dit levert: u - ' :

D)

waarin F een functie van

" - k: b~fa. F(rL

.

het Keynolàs-getal.X.' b en 11 kunnen onder 1 letter symbool

X.

s~~ngevat

worden.

fl

eze I: blijkt dan uitsluitend afhankelijk

te zl.Jn van de schotelafstand en van de effectieve vloeistof-hoogte op de platen ( dti. die vloeistofkolom, waar de damp werkelijk door opstijgt). Zo kan dan voor u geschreven worden:

i)Perr~.(loo.Cit·)lP~.2106.

~ }Y.C.filsht, Petro • Refiner,.2§.(no, 7) (1947), IlO,

~-- -- - - --- -

-12-u

_.u.r,

-f'~

waarin tn de dichtheid van de vloetstof.

-~ r~ J-'

P':1

de dichtheid van de damp.

Voor een schotelafstand 6- en een effectieve vloeistofhoogte

op de schotel van 0.5- vindt men voor ~: 0.02- 0.04,1). '

Aangenomen is 0.02, waarbij u wordt uitgedrukt in ft/sec • .

Bij 80oF. vindt men voor defl van freon-ll3 :100 lQ/ou.ft

en voor de~2 :0.23 - 2)

De

f

1 voor freon-114 ls 'QiJ benaJlering 4% lager. men vindt

n.i. voor fr eon ... 114 : d:~Ol4: 1.5312

J

3 . \

. voor f'reon-113: d-20/4: 1.5702) .

Een dampdichtheid van freon-114 is niet bekend. de dampdicht-heid van het gasmengael in de fractionneerkolom is daarom gelijk genomen aan die van het freon-113.

Zo vindt men dan voor

U!lo.o~V ~::~~

0.416 ft/seC:9: 1500

ft/hr.

Bij de berekening van de deatillatiekolom is gebruik gemaakt

. . . t ,·". .. • ""'''''.-1 . van de volgeilde

1) De- en thalpi eën van kolom constant.

benaderingen:

damp- en vloeistof' over de gehele ;1

2) Dit impliceert, dat de verdampingswarmte alle platen dezelfde is

43) Adiabatisohe kolom. ) Kengwarmten worden verwaarloos ••

per mol. voor

Notatie: x,mal •. samenstelling van de __ ,istof'

y,mol. samenstilling van de damp. F.aantal lb.mol. voeding/uur

L,aantal lb.mol. vloeistof. dat per uur van elke

plaa t naar beneden stroomt

V,aantil lb.mol. damp,dat per uur van elke plaat opstijgt.

D,aantal lb.mol. destillaat per uur

.,aantal lb.mol. bodemproduct per UUlU'

R)aantal molen refluxluur

• Perry, loc.cit.) pag. 1450.

2 • Refrigerating Databook.pag.89 .

F r -13-I I ~_--..IMl 1 - - __ . __ J D, mIl

-

--,

1-'---::=:-1 lil I 11 ~_~_I

'lb

I 1-___ ' _______ .J Sohema destillatie-kolom. Voe.ing Y: F-l13~ 30.6 lQ/hr • 0.1631 1b.mo~hr 11-114: 55.4· • 0,3~40 •

0.4 71

•

"'. Yf • Xf~ 0.665 mol% 11-114. KaterioalbalaP,en: Sectie

I:

L • D • V

!1~1

Sectie

II:

~

=

V

+

y Gehele kolom: W

+

D

=

11

.

"x.w

+

Dxd •

11xr

(4)

Stel Xd,. 0.-99 •

Xw.

0.01 • dan volgt uit (3) en (4) :

D • 0.3260 1b.mo~hr

Y •

0.1611 •

~

..

).,..,.J

l).,

~~/

Ste1nverder de reflux-verhouding r:a ; . 3 •• dan volgt ui t

V

~

(1) en (2) : .

V : 1.3040 lb.mol/hr

L

=

0.9780 •

Verdervindt men uit het T-x-diagram voor het kookpunt van een mengsel met de samenstelling xf • 0.665 : 800_{y. •}

---

----erzadigdef

-14-De warmte nu,nodig om 1 mol. van de voeding op de temperatuur

van de voedingsplaat te brengen,Q, bedraagt: 0 1

(80 • 131 _{).C p} ,waarin C := 25.3Btu.!lb.mol. F. ).

Indien.men nu door h voorstelt Re enthalpie van een lb. mol

van de vloeistof en-door H de enthalpie van een lb.mol van

aetdamP

in de ko~.dan levert een warmtebalaPs om de voe-dingsplaat :

,

~ F~Q ~

F.H

~

L.h • V.R ;-V.H

.

·

t.h

(5)

Ui t (I) t (2) ten (3) vindt men: .

~. - l' V .. V

=

L .. L

+

.

F

en (5) gaat dan over in:

- F.Q f F.H

+

(L ~ ~).h • (L .. L).H

+

F.H

Daar H .. h de verdampingswarmte ~L van 1 lb.mol vloeistof is,

Blijft tenslotte over:

L .1; • ...9,.

.-q.

. F ~L 1

Voor de verdampingswarmte QT.Lword~ berekend ),:

.

10

250

~B~~)lb.mol.

Zo vindt men dan tenslotte voor 1;. :

1:

=

q.F

+

L • (( 80 .. 131)625.3 ). 0.4871 +0.9780 .0.9176

10

25 _{lb.aol/hr •}

. Uit (1) en (2) krygt men voor V

=

1.304 lb.mol/hr

V : 0.7565 •

Nogmaals een materiaalbalans op sectie I toepassend. vindt 4

men uit

L

f

D •

V en

L.x

~ D.xd

=

V.y de vergelijking voor

de ~erste werklijn:

y . L x ~ D xd

L

+

D L

+

D

en met r • 3 en xd ~ 0.99 wordt dit:

y

=

0.75 x

+

0.247

(I)

Evenzo vindt men met behulp van materiaalbalansen in sectie 11

de vergelijking voor de twede werklijn:

y= 1;

~ .. W x .. _L~W W

Xw'

en met 't, W en ~

ingevuld: y • 1.211 x .. 0.00213

(11)

·---~---~-

-

-15-De vergeljJking voor het snijpunt van de lijnen (I)

en

(II) wordt als volgt gevonden:

(I).(L +D) - (II).(L - W) levert:

(L+D-~W).~

=

(~-~).x

+

Dxd

+

WXw of, met (3) en (4) :

. (L-!M)

.y.

(J,..L).x

+

Xf.F.

Met q

=

~

-

L wordt de vergelijking van de

J

q-lijn (meetkundige plaats van de snijpunten twede werklijn): y •

_.q--

x-q - 1 q • - 0,126, Of q - I en waar q t! y • 0.112 x t 0,591 zogenaamde van eerste eb (111)

Ket behulp van de vergelijkingen (I),(III),(en (II»,vo1gt nu uit het ~y-d1agrarn het theoretisch benOdigde aantal

scho-tels en wel: 6, waarbij de invoer onder de w::lerde schotel

van boven af, . -

-.-~

'

Stelt men de

plaat-effic~ëncy op~

dan is het benodigde aantal platen: 1

+

10/6~~5 a 9 p~.

~ ) De onderste plaat, de bodem van de kOlom,heeft een

I.~. efficiëncy van 100 %,daar hier geen menging van damp en

TI

Á.Á

~1,

vloeistof van verschillende saJllenstellillg plants vindt.)

V,Y'De dampinvoer vindt plaats onder de lOO/62t. A

~(ongeveer)

.,/' . de ttij~c1e schotel van boven af. .

Waar voor de toelaatbare dampsnelheid op pag. 12; 1500 ft/hr werd gevonden, bereken' men voor de diameter van het

boven-deel van de kolom met behulp van V

=

1.304 ib.mol/hra 1.304 • 3~9

=

4SI· cu.ttthr.: D

=

0,830 ft. ~

Evenzo voor het

~ji~a~el

Van de kolom met behulp van

V a 0.7565 lb.mol/hr • 271 cu.ftlhr : D •

O.4ap

ft. 1)

De warmte-toevoer Q,b a V. 10 250

=

7 750 Btu./hr b~j 129 OF .

De warmte-afvoer Q,d

=

V. 10 250

=

13 390 Btu./hr biJ 46 F. 1) Eigenlijk dienen deze getallen nog met de wortel van de

temperatuurfactor te worden vermenigvuldigd:

\ /460 + t b " t _{V--492 ' waar 1J resp. de gem1} . dd 1 _{e de temperatuur van} het bovendeel en het ~ benedendeel van de kolom.

-16-VIIII Kateriaa1balaas over het gehele -freon-zuiveringa-achema.- . Invoer: freon-114 ---. 55.4 IQ/hr

freon113 30.6 -HOl ~ 55.2 -Water ----496.8· (HF) (kIk) 638.0 • ---- (4.37 -- ) Producten: . freon-l14 ~99-proc.~ ---- 55.8 freon-113 99-prod. ---- 30.2 zoutzuur (lO~proc.) ----552.0 638.0 (Oa1cium-flu~ride) ----( 8.6 lb/hr

•

--"

-

)

Hiervan wordt 17.3 lQ(hr freon-113 naar de reactor terug gevoerd •

•

1I.

Aanhangsel,diverse berekeningen.

1). Berekening van.het kookpunts-diagram voor het freonmeng-sel. Indien

x

het aantal mal-proc. freon-ll4 in het mengsel

aangeeft, dan volgt uit de wet van Raoult:

x

=

760- Pll3 bij 760

mm.

kwikdruk. Hierin stellen

Pl14- Pl13 .

Pl13 en Pll4 de drukken van de verzadigde dampen van reap. freon-l13 en freon-114 bij eenzelfde temperatuur voor.

Iet aantal mol-proc. freon-114 in de damp wordt gegeven door

y - ~14

-

~6Ö'X

volgens de additie-wet van Dalton.

10

De dampdrukken Pl13 waren voor een aantal temperaturen

gegevenl ). De dampdrukken P_l14 werden berekend uit de formule log.Pmm

=

7.568 - 1300 2), T in °X.

T

l).Refrigerating Data book,pag. 89.

--- - -t o?

-'7.2

10,0 12,8 15,6 18,3 ~1.1 23.9 26.7 29.4 32.2 :55,0 37,8 40,6 43.3 46.1 4-7.6 -17-• (1) _• (2). (3) , (4) •. (5), '6), (7) • (8) • (9) • 1300 log P 760- P114- PJ14,x T --,- (7.56~ _P1l: Pll~llj Pll:5 (6)/(7) 760-) oK (2)1 _ (mml _ x _..11.-~~

4,g40

~ 848 157 603- ~ 0,871- 0.972 283.1 285,9 288.7 290,4 294.2 297.0 299~8 302.5 305.3 308.1 310.9 :513.7 316,4 319.2 320.7 4,600 4.555 4,505 4.470 4.415 4,380 4,345 4.300 4.260 4.210 4.185 4,150 4.105 4,080 4,050 2.968 930 177 583 753 0.775 0,948 3.013 1030 200 560 830 0,675 0,915 3,067 1157 226 534 931 0.573 0.870 3.098 1252 254 506 998 0,507 0,836 3.153 1421 286 474 1135 0,417 0.781 3,188 1540 320 440 1220 0.362 0,730 3.2G3 1670 357 403 1313 0,306 0.672 3.268 1853 398 362 1455 0,249 0,608 3.308 2036 ~I~ 319 159b 0.200 0.536 3.358 2280 490 270 1790 0,151 0.452 3.383 2418 541 219 1877 0,117 0,371 3.418 2620 606 154 2014 0.077 0,266 3.463 2920 670 90 2250 0,040 0,154 3,488 3080 7~33 ~3 2347 0.010 0.040 3.518 3298 760 ~ 0 0

_______ . _______

~~

__

~_.l

_____

~~~~~~~

_____

.

____

, ______ __

~). Berekening van de verdampingswarmte van freon-114 bij 80 oF.

Bekend is de verdampingswarmte bij 50F; 61.98 Btu/lb. 1).

~)

,

Gebruikt is de DUhring-methode wa8rbijmfreon-113 ààs

verge-lijkingsvloeistof is genomen,

Volgens deze methode werkt men als volgt; De kookpunten van de ,)r,1:' :;k!

onbekende vloeist~f, uitgezet als functie van de kookpunten van de

vergelijkingsvloeistof bij steeds dezelfde drukken, leveren een

rechte lijn. Met de helling dT'l"/dT van deze lijn berekent men

de onbekende verdampingswarmte-uit de formule;

Q

=

Qr,(~/Tr)2.(dTr/dT),

waarin de index r de overeenkomende

grootheden ,ran de verge11 jk1ngsvloe istof aangeeft.

T en T kookpunten v,an beid6r vloeistoffen bi j dezelfde druk.

De "Di.ihring-lljn'l is geconstueerd ui tode volgende gegevens:

druk in P.s.!. kookpun~en in F 4 ~o 14.7 10 8 6 4 freon-113 ~ freon-1l4 ) - i35 -

5 6 '

-118 39 97 20 87 11 74 0 55 -16 Dit levert dTr/dT

=

80/73 kookpunt freon-114 T : 460 • 80

=

5400n )

" freon-l13 T_rJ- 460 +162 : 622 ) bij dezelfde druk

Qr bij 1620F : 59.55 ),Btu/lb,

•

, , '

-18-Controle bij 50_{F ; T .465, Tr} ~ 54()~:Qr' 65.88 Btu/1b. 1e'vert ~ : 10 000 Btu/1b.mo1. Gegeven was 171. 61.~8

=

10 600.

Verdamgingswarmte van een mengsel met 0.665 mol-proc. freon-114

bij 80 F; ,

0.3~5. 65.88.~187.5 ~ 0.665. 9 200

=

10 250 Btu/lb.mol.

-1

) .Refrigerating lJata book,pag.61 2).perry,loc.cit. pag.731

~) .Refrigerating Data ,book,pag.89 ),Zie pag. 16.

:5). Soortelijke warmte van het freon-gasmengse1, d,at aan de

desti11atiekolom wordt toegevoerd.

Voor de soortelijke warmte van freon-113 wordt met behulp van de enthalple-w~arden 1) berekend.

voor 10 p.s.i. tussen 56 en 100 oF. 0.104 ~t 100 en ~10 ,f • 0.136

lfggp ~O IhS.i. . 100 eR 110 ' • 0.136

Hieruit werd geschat voor 80 oF • 0.135, de moleculaire soort. warmte bedraagt dan.0.135. 187.5 • 25.3 Btu/1b.mol oF.

Voor freon-ll4 is de zelfde moleculaire soortelijke warmte aangehouden •

t-, t-,

-

~-j

,--- -~---• I . _ _ J.-_ 1 _ i i I I -'-1"- - I

-i

I

L - - j '

,

I·

L

I

i .-'

~ , . i- - j - - ~ I I

!

-t -. __ ._1 I I I I I - :-- 1 . i I J I , ~ I i - _ I 1 1 -1-I ! h?o/.I' 1-0<=.

r

r I ' I .. f i ' 1 -','" !-

-l--I

!

- t - - - -1 ...

-..

~ ..,. __ I ·1 - -~-i ! I .i I.·T'~' I I c;~-r --;:~ :f.~:T:-; ·h I . -I'.t' 1·1':' I l I ' ! .. .J _ ' j

!.

I, . :1' I I i

1-

--I-~ I .1

.:-

_.~-, ", , ! ftr I --. ~. T

ot: .,

I . . t;~ ~.~~ . I " I :, ..i .' -:-.• ! ' • -~-_." ; . 1

cLt

.

r

,

, ï

I

I ,

-"...--1--~

.-I I

I

__

~_Ii_

•• I " -I - T -Ij;...d!ID ! I I .l --,

_.-:

.

)

l ,'

__ . _~_ . - I I : T-~·· j ,1-I ,

r

I I ,

I· - '

I --I

.

- r----·' I I I I -~!;

..

t- •

-J

'! - - _ ... , I " ,I ... - _ ..

r-;·

·

·1-

-~-1_

'---j.~-

..

i

!

I

I

-._--

L --

I --i

I

-~ , .. , i I -' I I T

l

I , _.I ., .,