Verslag van het fabrieksontwerp: De bereiding van butyl-acetaat

---

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

.,

VERSLAG VAN HET FABRIEKS-ONTWERP. H.J.J.NOTEUJ300M

1

, ! ( I I )

"

- - - -

--1 ...

VERSLAG BERBIDING V.AN BUTYLLCET.H.AT

I. INLEIDING

-Butylacetaat wordt in grote hoeveelheden gebruikt als oplosmiddel in de lak-, verf- en plastic-industrie. Verder dient het als

extractiemiddel, en is het een bestanddeel van essences en parfums. Het is op verschillende wijzen te beréiden, maar vrijwel alle

technische bereidingswijzen gaan uit van butylalcohol.

Zo is er een patent van §tein (1) die een mengsel van butanol en geconcentreerd azijnzuur verhit in de verhouding 1:1 met zwavelzuur als katalysator. Een &zeotropisch mengsel VáD BuAc, butylalcohol en

water wordt dan afgedestilleerd. In een~parator worden twee lagen afgescheiden, de bovenste met hoofdzakelijk butylacetaat (80.5

%)

en de andere met water

(97.4

%).

Dê BuAc laag gaat terug naar de ractieketel en dit doen we zolang tot dat een grote hoeveelheid water is verwijderd.

Dan wordt soda toegevoegd om het nog aanwezige zuur te neutraliseren en de~terl~ag wordt verwijderd. Tenslotte wordt BuAc afgedestilleeE

Morel (2) maakt keteen door aceton in een koperen buis te leiden en te verhitten tot

±

6000 C. De keteen dáffiP laat hij met n.butanol (vloeistof) reageren met zw~velzuur als katalysator, waardoor BuAc in goede opbrengst verkregen wordt (90%). Deze bereidingsmethode verkeert echter nog in het experimentele stadium.

Brezinski (3) geeft een methode om BuAc te maken waarbij hij uitgaat van l-buteen wat hij laat reageren met watervrij azijnzuur by

±15cPC

onder een druk van + 50 atmosfeer en met ZnCl

2 als katalysator. Ook deze methode heeft alleen nog m&ör experimentele waarde.

Wij hebben de eerst aangegeven methode gevolgd, dus n-butanol met azijnzuur laten reageren met H

2S0

₄

als katalysator. We zijn daarby te werk gegaan zoals is aangegeven in een der Anglo-Amerikaanse rapporten over de Duitse industrie tijdens de oorlog

(4).

Hierbij wordt continu gewerkt en het eindproduct is 85% BuÁc. De bereiding hiervan hebben we in twee delen gesplitst, n.l.

- - - -- - - - ---~l

-2-1) bereiding van ruwe n-butanol

2) zuivering van deze ruwe n-butanol en verestering met

azijnzuur.

Het eerste deel zal in dit versl&g besproken worden, terwijl het

tweede deel door de heer F.Albert behandeld wordt.

I

"

I~:

BEREIDING VAN BUTANOL

1

-:

I ~

Ook hiervoor zijn verschillende methoden in de techniek in gebruik.

In het kort zullen we deze nu aangeven.

1) Een groot deel Váll de butanol productie heeft plaats door

fermentatie van melasse of graan, met bepaald soort

bac-teriën. Zetmeel wordt hierbij allereerst afgebroken tot

glucose, via aceetaldehyde en propaancarbonzuur krijgen

we dan n-butylalcohol. Er naast ontstaat echter in flinke hh. aethylalcohol (10%) en aceton (30%). Reincultures van

bep&alde bacteri"ën zijn nodig, daar anders andere

omzet-tingen optreden. Deze methode vereist dus bekwame bacterkr

logen, en een geheel eigen techniek; bovendien krijgen we

dan nog maar een opbrengst van 60% butanol. Om deze

redenen hebben we dit proces niet gekozen voor ons

fa-brieksontwerp.

2) Een Duits Patent van de "Deutsche Gold und Silber

Scheide-(

HnS tal t vorm. Roes SIer" (6) gaat uit Véln aethyl-alcohol

en leidt dit in dampvorm met H₂ over een katalysator die

I

voor 80% uit oxyde bestae.t en verder uit verschillende

I

\ zware met&len, (Cr, Wo, Ni, Co, Fe, Cu) Ca en Si. De druk

.\ is:t. 100 atmosfeer en de temperatuur :t. 3250C.

l

Een ander Duits Patent (7) gaat uit van 'n mengsel van

methyl- en aethylalcohol en H2' met als katalysator MgO.

D~ temp~ratuur is 200°- 350°C en de druk is 30 atmosfeer.

3) Een methode die ook van aethanol ui tgaêlt g,~vsm M.

Etein-schneider en W.Ziroff (8). Aethanol wordt gedehydrateerd

bij 3000C. in een autoclaaf met Cu en CaO als

dehydra-teringsmiddelen, onder hoge druk. (c. a. 100 atm). De hh.

metbal die aanwezig is moet ongeveer 5% zijn van het

gehele mengsel.

4)

Uitgaande van acetyleen kunnen we ook butanol bereide~.

Het bcetyleen verkri.jgen we uit calciumcarbide met water,

of zoals in Duitsland op sommige plaatsen (Bentheim) uit

natuurlijk gas. (waarin 0.&. methaGn en aethaan).

Dit natuurlijk gas wordt dan door een electrische vlamboog

geleid en vervolgens plotseling afgekoeld. Acetyleen wordt dan verkregen (60%) wat zeer goed oplost in water.

Uit het acetyleen bereiden we aceetaldehyde, daar het met

water, zwavelzuur en kwikzouten als katalysator, bij 70°C.

-I

-

-I

-3-Dit aceetaldehycie laten we in alkalisch milieu condenseren tot aldol. Bij verhitten Vén dit aldol in zuur milieu treedt

dehydratatie op en er ontstó&t crotonaldehyde wat na

hydro-generen n-butanol geeft.

De opbrengst aá11 butylèücohol is gunstig vergeleken met de

andere processen n.l. ~ 78% omgerekend op het aceetaldehyde.

Op grote schaal is deze bereidingsmethode vó6r en tijdens

de tweede wereldoorlog in Duitsland toegepast. De reeds

eerder genoemde CIOS en BIOS rapporten geven dan ook uit-voerige beschrijvingen van deze processen. Uitgezonderd het fermentatieproces, zijn de andere tevoren genoemde

berei-dingswijzen in technisch opzicht veel minder ver ontwikkeld en toegepast. Daar we het fermentatieproces om de onder 1)

genoemde redenen niet verder hebben uitgewerkt zullen we ons in dit fabrieksschema bepalen tot de juist aangegeven

methode.

Wij zijn daarbij uitgega&n van aceetaldehyde. In dit verslag

wordt de bereiding van de ruwe butanol besproken. Door de heer F.Albert wordt dan de zuivering en verestering in zijn fabrieksschema uitgewerkt.

Op deze wijze menen we de werkzaamheden zo juist mogelijk verdeeld te hebben.

Beschrijving van het fabrieksschema.

Het aceetaldehyde waar v\le vón uitguéill is tevoren gedestilleerd en

heeft een zuiverheid van 99.5

%

.

Hierbij komt dan het recycle aceetóldehyde wat uit kolom

14

komt en vrijwel zuiver is. De ver-houding vers : recycle is ongeveer 3 : 2. Wegens het lage kookpunt van het aceetaldehyde

(

21°

C)

mOeten de tanks zorgvuldig gesloten zijn. Om bovendien oxydatie door de lucht-zuurstof te voorkomen

bewaren we het onder een geringe stikstof overdruk.

Uit de voorraadtanks 7 en 8 wordt het aceetaldehyde door een pro-portiepomp naar de reactietoren 9 gepompt. Een 10% KOB oplossing wordt er hier bijgevoegd.

Dit KOB komt via verdunningstank

4

,

waar de sterke KOB oplossing

(50%) uit 2 op 10% gebracht wordt, in een voorrb.&dtank 6, en wordt

ook weer met behulp van een proportiepompje in de reactietoren ge-bracht. In de reactietoren blijft het mengsel van aceetaldehyde en

KOR oplossing ongeveer een uur. De reactie die zich hierin afspeelt

is: 2 CH';/CHO . /

aceetóldehyde aldol

C;O _'H

o

De temperatuur mag niet hoger komen dEn 20 C., en 'n goede wa

--- - - . - - - -- - - ---""'1

-4-Om een intensieve menging en koeling te verzekeren wordt het

mengsel met behulp Vé.Il centrifugaé,lpomp 41 door de toren en de

koeler 39 rondgepompt. Na ongeveer een uur wordt het mengsel in de

reactiebak 10 geleid. De omzetting is tot nu toe voor ongeveer 44%

verlopen. In de reactiebak blijft het dan 5 - 6 uur, onder intensief

roeren en koelen met vyc::.ter, Wáéi.rna in het mengsel 60% aldol en 40%

aceeta1dehyde aanwezig is.

Een vlotter-intichting zorgt er voor dat continu een bepaalde hh.

in de bak 11 terecht komt waar een 10% azijnzuur oplossing erbij

wordt gedóan om het KOH te neutraliseren en om de oplossing 0.1 n

zuur te ma..tcen.

In een mengbak 12 wordt intensief geroerd, en in de buffertank 13

eveneens. Vervolgens gá~t de vloeistof naar de rectificatiekolom 14

waar ' t op ~

i

van de hoogte ingevoerd wordt, na tevoren in de

voor-verwarmer 18 tot 60o

e.

verwarmd te zijn. Onder invloed van het zure

milieu en ft verwarmen tot ruim lOOoe vindt in de kolom dehydratatie

plaats, zodat crttonaldehyde ontstaat:

H ₃

e e

_{- H -}OH

e

_H C~O H

e e -

e C~O + H 0

2 - "H ----+~ J - H - H- 'H 2·

Deze dehydratatie gaat in deze kolom slechts voor 30% door en moet

dan ook in de daaropvolgende kolom 19 voortgezet worden. De

tempe-ratuur onderin de kolom wordt door de reboiler 17 met behulp van

stoomspiralen tussen de 1000 en l050C gehouden. Het onomgezette

aceetaldehyde destilleert over, wordt in condensor 15 gecondenseerd,

gedeeltelijk teruggevoerd via koeler 16 naBT de voorrë.ad tank 7, .

en voor een ander deel n&é.r de top V&Il de kolom gevoerd als reflux.

De refluxverhouding moet ongeveer 2:1 zijn. De temperatuur bovenin

.

de kolom is 20-21oe. (ongeveer het kookpunt van aceetaldehyde onder

atmosferische druk) .

De vloeistof die onderuit de kolom 14 naar kolom 19 gepompt, en ~

hier op ongeveerza van de hoogte ingevoerd wordt, is practisch vrij

van aceetaldehyde en bevat dus behalve water, waarin azijnzuur en K-acetaat zijn opgelost, een mengsel van aldol en crotonaldehyde.

In kolom 19 vindt dan de verdere dehydratatie van het aldol plaats.

(tot 90% omzetting) en destilleert een azeotropisch mengsel van

crotonaldehyde (80%) en w&ter over, terwijl onderuit de kolom water,

Q..

--

.

/

-5-De temperatuur van h8t ingevo8rde vlo~istofmengsel is 950C. De

toptemperetuur van de kolom 19 is 84°C. en de temperatuur onderin

100 - l050C.

Een deel van h8t overgedestilleerde mengsel vlordt als reflux terug

in de kolom gevoerd (reflux-verhouding 1:1) en de rest komt via

koeler 21 in de separator 22 terecht.

Hier krijgen we scheiding in twee lagen. De bovenste laag bestaat

uit crotonaldehyde verzadigd aan water, de onderste uit water

ver-zadigd aan crotonó.ldehyde. Om uit de laé;.tste het crotonalè.ehyde te

winnen wordt deze vloeistof teruggeleid naèir kolom 19 en op dezelfde

schotel ingevoerd, als de voeding die uit kolom

14

komt.

De bovenste léi.èig die rijk é.&n crotonaldehyde is wordt afgevoerd en

sterk afgekoeld in koeler 23 (met pekel) . Hierdoor krijgen we een

verdere scheiding in separator 24 wa2rlangs boven een vloeistof die

voor 90% uit crotonóldehyde bestaGt wordt afgevoerd naar t~nk 27 ~

en onderuit water stroomt met nog wélt crotonaldehyde.

Dit laatste wordt met een centrifugaó.lpompje naar de voedingsbuis

VéiI1 kolom

14

gepompt. Hierdoor wordt de voeding verdund met water

en wordt ook het crotonaldehyde wat nog in het water aanwezig is

teruggewonnen. Het verdunnen met water is waarschijnlijk nuttig

om de exydatie van het crotonaldehyde Ó.an de lucht tot crotonzuur

en andere producten tegen te gá&n. Bij 70oC. treedt deze oxydatie

namelijk op, en verdunnen van het reactie mengsel schijnt deze te

verhinderen (10) .

Aan de onderzijde is tank 27 voorzien van een aftapkró.an. Na enige

tijd staan verzamelt zich toch altijd nog wat water op de bodem

en dat wordt van tijd tot tijd afgetapt. De opbrengst aan

croton-aldehyde omgerekend op ft verbruikte aceetaldehyde is

±

90%.

Het crotonaldehyde wordt met behulp van ~en centrifugaalpompje

41

naar de verdamp8r 28 (waarin vullichamen) geleid, waar ft versproe1d

wordt. Tesamen met een warme waterstofstroom die door voorverwarmer

30 gegaan is, stroomt het mengsel via een tweede voorverwarmer 29,

waar weer een bepaalde h.h. waterstof er bij gevoegd wordt, naar de

reactor 31. Hierin vindt de hydrogenering van crotonaldehyde tot

butanol plaats.

-.

-6-Deze reactie is exotherm. Na de reactie op gang gebracht te hebben

met behulp van oververhitte stoom die we door de spiraalvormige

buizen sturen moeten we verder de reactor koelen om te zorgen dat

de temperatuur niet te hoog wordt. Beneden in de eerste reactor is

de temperatuur 190oC., bovenin 260oC. Te hoge temperatuur

veroor-zaakt samensinteren van de katalysator die da&rdoor onwerkzaam

wordt. Bovendien kunnen cian ongewenste reacties zoals kraken op gaan

treden.

Uit reactor 31 stroomt het gasmengsel naar de ractor 32 nadat eerst

nog wat Koude waterstof is toegevoegd. De temperatuur in de tweede

reactor is nu VélIl onder 208oC. en bovenin 218oC. Beide reactoren

zijn voorzien van automatische temperatuur-regelaars. We zien dus

dat de waterstofstroom die van de blower 38 komt op drie plaatsen

in het proces gebracht wordt. Dit is gedaan om de temperatuur te

kunnen regelen, en dit wordt weer bereikt door temperatuur-regelaars

die automatisch de afsluiters meer of minder open draaien, waardoor

meer of minder waterstof door de voorverwarmers 29 en 30 gaat.

De katalysator bestaat uit zeer fijne koperdeeItjes op puimsteen.

Meestal zit er nog wat chroom bij. De bereiding van deze

geacti-veerde puimsteen vindt plaats door kopercarbonaat met

i

%

Na-chromaat

in waterglas en water te suspenderen en dit mengsel over de

puim-steenstukjes van 20 x 18 mm. te sproeien. De puimsteen wordt dan

gedroogd in de reactoren bij 100 - l20oC. in stikstof atmosfeer.

o

Als het droog is wordt het bij 180 - 200 C. gedurende

48

uur met

waterstof gereduceerd. De katalysator heeft een levensduur van 1

tot 3 jaar. De eerste reactor heeft een totaal inhoud van ~ 23.8 m3

waarvan 15 m3 gevuld is met geactiveerde puimsteen. De inhoud van

de tweede reactor is

18.6

m3 en 11.0 m3 is gevuld met katalysator.

Het warme reactie-mengsel uit de 2e reactor (32) gaat nu na

warmte-uitwisseling in de voorverwarmers 29 en 30, naar de condensors 33

en

34,

waar in ieder een deel tot vloeistof condenseert, wat

afge-tapt wordt. De rest, hoofdzakelijk bestaande uit waterstof, gaat

nu naar de stripkolom 35, waar over de top waterstof met

butanol-damp (waarin overigens nog wat water en aethanol zit) wordt

afge-voerd. Na koelen in koeler 36 wordt de waterstof in de circulatie

teruggevoerd, na eerst de hh. gemeten te hebben,om daarbaar de

hh. verse waterstof te regelen.

-I

-.

I I 1

"-- "-- "-- "-- "-- "--

-

-7-De gecondenseerde ruwe butanol wordt naar de top van de stripkolom gepompt en wast uit de opstijgende damp de vloeistof weg.

Onderuit de kolom wordt continu ruwe butanol afgetapt. Tesamen met de aftap uit de condensors 33 en 34 gaat 't naar de opslagtank. De ruwe butanol bevat nog

7 -

8

%

water,

0.5 - 3

%

butyraldehyde O.5l.aethylalcOhol en wat butylacetaat en hoger kokende producten.

Voor

8B%

bestaat het mengsel echter uit n-butanol. In het

fabrieks-schema van de heer F.Albert zal dit dus worden gezuiverd en ver-esterd.

MATERIAAL BALANS.

Allereerst geven we nog eens ue reacties met de bijbehorende

rendementen :

HH · 0 CH_3COH CHC~H

---~~

_{CH] - CH}

=

_CH -

C~~

+ _H20 De opbrengst aan crotonaldehyde omgerekend op aceetaldehyde is.

190%.

rrt.. ___ YtJ~,Jj Pw u*-1 o.U

J

_{j ;,.}

Vervolgens: vI'

Rendement 85

%.

We willen ongeveer 600 ton ruwe butanol per maand maken. Dit 1s 'n

willekeurige aanname, da8.r 't ons aéül economische gegevens ontbrak.

De productie aan butylacetaat in ons land schijnt niet bekend gema~ te mogen worden. We weten echter wel dat de hoeveelheden die wij maken (aan butanol en butylaceta~t) zeer groot zijn vergeleken met de productie in Nederland.

We hebben daarom vooral rekening gehouden met de grootte van de

apparatuur en de te verwerken hoeveelheden. Het hele fabricageproce~ is continu. We rekenen daarom een maand op 30 x 24 = 720 uren. De verwerkte hoeveelheden zullen we opgeven ~er ~. Daar de omzetting

van het aceetaldehyde tot aldol slechts tot 60% doorgaat, waarna het aceetaldehyde weer terug in het proces gebracht wordt, moeten we volgens de gegevens uit (9) uitgaan van 1960 Kg aeeetaldehyde

I

I

··

1

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

-8-Als katalysator bij de condensatie tot aldol dient 10 Ltr. 10% KOB/per uur. Dit is 17.5 liter n-KOR. Daar in de reactietoren 9 slechts 44% van het aceetaldehyde wordt omgezet komt er dus uit:

r8t

x 1960

=

860 Kg/u aldol, 1100 Kg/u aceetaldehyde (1960 - 860)

en 10 liter lotKOR oplossing/uur.

In de reactiebak 10 vindt een verdere omzetting van het

aceetalde-hyde plaats tot 60%, zodat 199 x 1960

=

1175 Kg/u aldol, 785 Kg/u

aceetaldehyde en 10 liter 10% KOR opl/u in de zuurmenger 11 stroomt.

Hier wordt azijnzuur toegevoegd en wel zoveel dat :

1) het KOR geneutraliseerd wordt,

2) de oplossing 0.1 normaal zuur wordt.

Hiervoor is dus nOdig 17.5 liter I n ê.zijnzuur dat is 17.5 x 60 gr.

=

1050 gr CH

3COOH, wat overeenkom$t met ongeveer 10 liter 10%

oplossing per uur.

Om de oplossing 0.1 n zuur te maken moeten we nog ongeveer 2000 xl~ x 60

=

12000 gr CR

3COOH/uur toevoegen,

want het volume van de oplossing is

~

2000

lite~~~i4

=

1060 liter

785 _

0.783 - 1002 1. daar het s.g. van aldol en aceetaldehyde bij kamer-temperatuur respectievelijk 1.1094 en 0.783

i~

Dit komt overeen met 120 liter 10% aZijnzuur/uur.

Naar de aceetaldehyde kolom 14 stroomt dus: 1175 Kg/u aldol

785 Kg/u aceetaldehyde 120 Ltr./u 10% azijnzuur

17.5 grml K acetaat, d.i. 17.5 x 99 = 17]0 gr/uur.

20 liter water (wegens de 10 liter 10% KOR en 10 ltr. 10% CH

3COOH)

en nog wat reactiewater uit: KOH + CH3COOH~CH3COOK + _H20 ,

d.i. 17.5 x 18 gr

=

0.315 Kg/u.

Daarbij komt dan nog 200 litertwater/u (met een beetje

croton-aldehyde) , als verdunning.

In de aceetaldehyde kolom wordt 30% van het aldol omgezet in

croton-aldehyde làg x 1175

=

352 Kg/u aldol verdwijnt dus en dit levert

J~ x 352

=

280 Kg/u crotonaldehyde (Mol.gew. crotonaldehyde

=

70. Maldol

=

88).

I

I ~

I

...

-9-Bij de dehydratatie ontstaP~t bovend1'en nog ~~2~

- '-'- ~ _{88 x} 18

=

72 K H _{g 2}

ol

_unr.

Het aceetaldchyde wordt volledig teruggewonnen en per uur verdwijnt

er dus 785 Kg CH

3CHO als damp om teruggevoerd te worden naar de

voorraadtank 7. De vloeistof onder in de kolom wordt naar kolom 19

gepompt.

In de crotonaldehyde kolom 19 wordt dus ingevoerd

280 Kg/u crotonaldehyde 823 Kglu aldol 12 Kg/u azijnzuur W..,.~ Kg/u K acetaat 412 Kg water/u (200 + 72 + 20.]15 + 120).

-'----IJ.~::--Bovendfen komt er nog water verzadigd aan crotonaldehyde (uit

in om het crotona1dehyde terug te ~innen. Dit brengt

geen wezenli' e verandering aan in de materiaal balans.

Het systeem-kolom 19 met separ&toren 22 en 24-zullen we als een

geheel beschouwen.

De omzetting aldol--~~crotonaldehyde vindt hier verder plaats tot

in totaal 90% is omgezet omgerekend op aceetaldehyde. In totaal

-2.Q. . "JO ''r.o-eo?t.

hebben we _{dus lOO x 88 x 1175}

=

842 Kg/u aeeetaldehyde, zodat in deze

kolom 842 - 280 = 562 Kg/u ontstaat. Bovendien ontstaat in deze

kolom nog

~6cf

x 18

=

14110 Kg H₂0/uur.

De rest van het aldol in deze kolom, en dit is dus 823 - 562 - 144

=

117 K"U, geeft harsachtige producten die tesamen met het water,

het azijnzuur (12 Kg/u) en het kat]umacetaat (1730 gr/uur) onderuit

de kolom worden afgetapt. Bovenuit de kolom destilleert een

azeotropisch mengsel van 80% crotonaldehyde en 20

%

water bij 84°C

over. In de separatoren vindt scheiding plaats en in tenk 27 komt

tenslotte 90% crotonaldehyde7dus in totaal 842 Kg/u, waarbij déill

nog 93 Kg water/uur komt.

Dit water vormt na enige tijd een onderste laag, waarop

croton-aldehyde met nog een beetje water.

Daar in tank 27 geen opstopping plaats mag vinden en wij bovendien

geen crotonaldehyde maken om te verkopen, wordt per uur uit tank 27

met een centrifugaalpompje 41,842 Kg crotonaldehyde naar de

I

e.

1 -I· In: I·

-10-In de verdamper wordt een hh. waterstof er bij gedaan, in de

voor-verwarmer 29 gebeurt dat nog eens. Tenslotte vindt na de eerste

reactor 31 nog een derde waterstof dosering plaats. Deze drie hh. variëren en zijn zodanig ufgemeten m.b.v. automatisch bediende regelkranen dat de gewenste temperaturen in de reactoren

gehand-haafd worden. De totale hh. waterstof die er per uur rondgepompt

wordt is 305 m3 met een overdruk van 2 atmosfeer. Het gewicht is

273 152 g/

dan bij benadering : 305 x 0.09 x 300 x 76

=

50 K u. We

veronder-stellen hierbij dat de temperatuur bij de blower 3000K (27oC.) 1s.

Bij een rendement van 85% van de omzetting

hebben we 4 x

199

x

~t2

x 1

=

40.9 Kg waterstof per uur nodig. Uit de condensors \33 en 34} en de stripkolom 35 komt dus:

19~

x

~

x 74

=

756 Kg butanol per uur, 9.1 Kg/u waterstof en 126.9 Kg/u aan aethylalcohol, water, butylacetaat en hoger kokende producten.

Aan butanol krijgen we dus 720 x 756

=

545000 Kg

=

545 ton/maand. De totale hh. vloeistof die we krijgen is echter

l~

x 545

=

~fl

ton per maand, ruwe butanol, daar het geproduceerde vloeistofmengsel

.J

voor c.a. 8$% uit butanol bestaat. Daar de waterstof altijd wat

stikstof en koolzuur bevat moet van tijd tot tijd de gas-circulatie

stop gezet worden omdat het percentage van deze gassen steeds

op-loopt. Door D kunnen de gassen dan verdwijnen. Suppletie van H₂ vindt plaats door C. Voor de duidelijkheid zullen we nu het

voor-gaande overzichtelijk weergeven door voor de apparaten waarin

reacties optreden globaal in Kg/u op te geven wat er in komt en

wat er uit gaat.

I. Reactietoren 9. 1960 Kg CH

3CHO per uur Uit: 860 Kg Aldol per uur

10 ft _H 20 ft

"

1100 fT CH3CHO ft ft 1

_"

KOH IT IT ₁₀

"

H 0 ft

"

I 2/('011

'I

n 1971 Kg

_"

_"

1971 Kg ft

"

-IV. Aceetaldehyde Kolom 14.

In: 1175 Kg Aldol per uur Uit: 280 Kg crotonaldehyde 11

"

785 ti _CH 3CHO

"

"

als vIst: 823

_"

aldol 11 11 12 11 _CH3COOH 11

"

12 ti _CH 3COOH

"

11 1.7 ti CH 3COOK 11

"

1.7 " CH3COOK ft

"

340.3 " H20 ti 11 412.3 " H20 11

"

I (140.3 + 2(0) (340.3 + 72) 1-· 2314 Kg ti

"

als damp: 785 Kg CH 3CHO 11

"

.J.. 3/ Lf _{k'J " "}

V. Crotonaldehyde kolom 19, en Separatoren 22 _{en 24·} In: 280 Kg Crotona1dehyde p.uur Ui t:

als dilll!12: 842 Kg Crotonaldehyde ft ft

823 ti _Aldol I! I! _{210.4 I! water} 11

"

12 11 _CH

3COOH

" "

als vlst: 117 11 harsachtige prod." 11 1.7 " CH3COOK ti ft ₁₂ TI _CH 3COOH 11 TI 412.3 " H 20 ti 11 1.7 !I CH3COOK

"

11 345.9 It H 20 It 11 (412.3 + 144 - 210.4) 1529 Kg 11 11 _{15'29 Kg per uur} VI. Separatoren 22 en 24.

In: 842 Kg Crotonaldehyde p.uur Uit: 842 Kg Crotona1dehyde"

_"

210.4 11 Water

"

ti 93 ft Water

"

"

935 + 117.4 Kg water

_"

_"

1052 Kg

_{" "}

1052.4 Kg ti ft I I

I

~ J:n: In: 842 50 892

-12-(Hieruit volgt dus dat voor de 200 Kg water die we per uur in 14

invoeren, vers water gesuppleerd moet worden, daar we slechts

117.4 Kg/u uit de separatoren krijgen, wat daarvoor gebruikt kan

worden) • VII. Reactoren 31 en 32. Kg Crotonaldehyde " _H2 per uur

" "

Ui t: 756 Kg 9.1 " 126.9 " n-butäl1ol H 2 per uur

"

IJ andere producten" " Kg (+ wat water) wat in

het crotonaldehyde Zit).

892 Kg (+ wat water) "

_"

VIII. Condensors 33 en 34, en Stripkolom 35. Uit:

als damp: 756 Kg butanol per uur als damn: 9.1 Kg H

2

"

ft 9.1 ft H 2 IJ

"

ft 126.9" andere prod. "

_"

als vIst: 756. " 126.9 IJ butanol " andereprod. " ft

---892 Kg

_"

_"

8~9.2. Kg

_"

Berekening van het drukverval door een schotel in een Rectificatie Kolom.

Aan de hand van enkele formules gegeven in Petroleum Refiner van

1947 (11), en in Kirschbaum (12), zullen we trqchten het

druk-verval door een schotel in rectificatie kolom 14 te berekenen. Het artikel in (11) behandelt dit probleem voor de rectificatie van een butóan-isobutaan mengsel. De toren die daar als voorbeeld beschouwd wordt heeft een diameter van 3.05 mtr. en een hoogte van

f

41.2 mtr.

I

.J{:

In

~

jY

ons geval zijn deze maten respectievelijk 1.34 mtr. en 10.5

(9).

mtr.

Y

Daar we een bepaalde vorm van de bubble cap aan moeten nemen,

nemen we eenvoudigheidshalve dezelfde als in (11).

l

J;tJ

(~)2

\

Het aantal per ;.;~t is belangrijk kleiner, n.l. 3:05 x 136

=

26

(aantal caps in de toren in (11) is namelijk 136).

We berekenen nu het drukverval voor de bovenste schotel. Hier

hebben we te doen met zuiver aceetaldehyde en kennen we de tempera-tuur, waardoor voldoende gegevens ter beschikking staan om het probleem op te lossen.

- - - -_ .. - _ ..

_-I -Het -- --_. _{- 'i} J 1.

,

I<

f

~

a. -12-- T.

4

r - - - --\

_!.

,~ \ ,~

-4$

\ \ \ \\ ' f>

~

III

I~

III L I1I

drukverval kunnen we nu in verschillende delen splitsen.

1) Drukverval bij het opstijgen van de damp in de riser. 'I Ir

2) Drukverval bij het dalen van de damp in de ringvormige

opening tussen cap en riser.

3) Drukverlies wat optreedt als een damp-bel zich los maakt

van de opening in de cap.

4) Drukverlies bij het stijgen van de damp-bel ~oor de

vloeistof.

Hl ervoor geven

Cllf"1r;

c. s. (ll) de formule:

h =.0.00178 d

r

g

~

,

]

2.09

1 ,u ' I~U

- > \ . . '

Hierin is : hl = drukverval in de riser in inches H₂0.

du = binnendiameter van de riser = 3.5 inches.

fg = dampdichtheid van de aceeta1dehyde damp

in pnd per cubic foot.

Deze is in de literatuur niet gegeven.

Wij hebben

fg

daarom berekend uitgaande

vld aanname dat de damp zich gedraagt als een ideaal gas.

o ~

Het mol. vol. by 21 C.

=

273 x 22.4

=

1 Ltr. weegt dus bij 21oC. :

24~f2

=

1.825 gram •.

1 Cubic foot weegt dus bij 21°C. :

24.12 liter.

28.32 x 1.825

=

51.684 gram, wat

overeen-komt met

51.68:4

453.6

=

0.113 pnd.

Dus fg

=

0.113 pnd/cubic foot.

V

=

Vol. vld damp in cubic f~~t per sec.

Per sec. gaat er 785

=

0.2182 Kg damp doo~

heen (zie

materl~

balans van toren 14).

Dit is dus 218.2

=

4.23

etlè1gjfi~t/see.

.

.

I~

, - - -

-

-13-Au

=

Binnenopppervlak van de

riser~

s~.

(

I~,

Î

Binnenoppervlak van riser

=

9.63 sq.inches.

Dus per schotel 26 x 9.63 = 250.J8~inches

= 250₁₄₄ .38 _{; 1.74 sq.f.schotel.}

I

Vullen we deze waarden in de formule in dan krijgen we:

[

I

r.

-

~J 2.09

hl

=

0.00178 x 3.5

r

O•llJ x 1.74 hl

=

0.00623 [O.3~62 x 2.43]2.09

hl = 0.00623

L~

·

8270]2

.

09

hl

=

0.00623 x 0.6724

=

~±: inche~ H₂0.

ad 2) . Hiervoor geeft Cicalese c.s.

h 2

=

0.0109

~

~

h₂

=

drukverval in de ringvormige opening

tussen cap en riser.

Ac = opp. van de dwarsdoorsnede van de cap

(inwendig gerekend) in sq.f. per schotel.

Voor een cap is dit 26.55 sq.inch. dus in

totaal 26x26₁₄₄ .55

=

4 _• 79 _{sq. .} f

I

'

_sc h t 1 _{0 e •}

Am

=

Opp. vld ring tussen riser en cap in

sq.f./schotel.

Voor een cap is dit 10.65 sq.inch., dus

in totaal 26xlO₁₄₄ .65

=

1 93 _{• sq. .} f / _sc h t 1 _{0 e •}

Deze waarden ingevuld geeft :

l

2

J

1.71 h 2

=

0.0109

~0

.113

• 1.74

~

• 1".79 x 1.93 2.(1.74) h2

=

0.0109 [0.8270 x 0.654]1.71 h 2

=

0.0109

[O

.5

40~

1.71

=

0.0109 x 0.3496

=

0.0038 inch.H_20.

ad

3)

.

Kirschbaum (12) geeft een formule voor het drukverlies wat

optreedt als een dampbel zich losmaakt van de openingen in

de

~

h3 =

~o

+

V4

~O

h3

=

drukverlies als de dampbel de opening verlaat.

opp. spanning van aceetaldehyde in Kg/m.

Deze waarde hebben we gelnterproleerd uit

Crit.Tables (13) en is bij 21°C. :

..

I

.

~ I

.

,

I b

=

7

-14-hoogte van de opening in cm. In ons geval

veronderstellen we dat de cap-openingen tot de helft geheel met vloeistof omgeven

_---... >-M--...,-"'---... - - - -.... , .. ···-·~

zijn. Hoogte van de gehele opening is

1/4 inch dus b

=

~~

=

0 ~18 cm

l+x2 • ." •

DichthGid van de vloeistof in Kg/m3 :

=

783.4 kg/m3, zodat : h

=

2X2.l.lxl0:2 I jr-/-2- l·-l- l0----:3=--rd- 3-4"

=

3

0.318 +V~x .

x

x~ . 13.28 x 10- 3

+V

6,6l2~ h3

=

0.013 + 2.572

=

2.585 Kg/m2

=

2.585 mm. _H20

=

°2~g~5

=

~2l.

inch.H₂0.

Het blijkt dus uit deze formule dat de grootte van de opening maar een heel

---kleine invloed heeft op de h3.

~~4. Hiervoor moeten we de hoogte kennen van de vloeistof kolom

waar de damp doorheen moet. Deze verdelen we in 2 stukken

a) het hoogte verschil tussen de bovenrand van de cap-opening en de rand van de overloop. Dit verschil ligt

vast: h4

=

0.250 inch.

b) De hoogte van de vloeistof boven de rand van

re

over-loop. Deze hangt af van de hh. vloeistof die omlaag,

dus naar de onderliggende schotel stroomt. Bovendien

is deze over het oppervlak van de schotel niet

con-stant, maar wordt naar de overloop toe, kleiner.

We nemen een gemiddelde hoogte h5 aan en berekenen

deze uit de formule:

h5 -

r

Q

1

2/3

t

2.98

1)

Q

=

hoeveelheid afstromende vloeistof in gallons/min.

Daar wij de bovenste schotel hebben en de reflux

bovenin de kolom ingevoerd wordt, moet deze Q dus

gelijk zijn aan de hh. reflux.

De reflux verhouding is 2 : 1. Per sec. destilleert

0.2182 Kg aceetaldehyde over (zie vroeger);

Dus reflux 2/3 x 0.2182

=

0.1481 Kg/sec.

dus ç

=

60 x 0.1481

=

2.50 gIns/min.

O.7834x4,536

lw

=

lengte vld overlooprand in inches.

In ons geval is die 1.34 x 75

1

=

33 0 inch.

3.05 8 •

h - [ 2 • 50 ]

'13

I ... I"

-15-Dit is dus erg weinig, maar de hoeveelheid

terug-stromende vloeistof is gering, zodat de overloop dit

gemakkelijk kan verwerken.

De totale hoogte van de vloeistof kolom waardoor de

damp moet ga&n is dus :

0.0865

+

0.250

=

0

.

3365

inches.

Daar we te doen hebben met aceetaldehyde van 20 à

21oC. komt deze hoogte overeen met een waterhoogte van

0.3365

x

0.7834

=

O~2636 inches H

₂

0.

Het totale drukverlies is 0.0042 + 0.0038 + 0.1015 + 0.2636

=

0.3731 inches H20

=

0.8477 cm. H20.

Het drukverschil tussen de top van de kolom en de ruimte onder de

bovenste schotel is dus 0.8477 cm.

Aangezien de toren als opg8geven in (9) 70 schotels heeft zouden

we bij benadering mogen zeggen dat het drukverval door de toren

70 x 0.8477

=

59.34 cm. H_.... ?O is, dus iets meer dan 1/20 atmosfeer •

It

!j

~·

-- - - - -16-GERAADPLEEGDE LITERATUUR (1) J. Stein (2) G.H.Morey

u.s.

Patent 2.134.537 (1925). Ind.Eng.Chem.

11

1129 (1939).

(3) L.P.Brezinski

u.s.

Patent 1.951.747 (1934).

(4) BIOS 1652 Solvents and Plasticisers in Germany.

Solvents Sectlon pag. 10-19.

(5) R.N. Shreve The Chemica1 Process Industries pag. 668 e.v.

(1945) • (6) Ger. Patent 734.4·68. (1947) • (1939). (1937). (7) (8) (9) Ger. Patent Ger. Patent BIOS 1053 674.751. 637.909.

German Acety1ene chemlcal lndustry.

Miscellancous Organic chemicals. pag. 84-89.

(10) Bel1stein

-1-

2e Erg.Bnd. pag. 787.

(11) J.J. Clc~lese, J.A.Davls, P.J.Harrlngton, G.S. Hough1and,

A.J.L.Hutchinson, T.J. Wa1sh, : Petroleum Refiner 26

501 - 511; (1947).

(12) E. Klrschbûum. Destl111er- und Rectlflzlertechniek (1950)

pag. 269.