Verslag fabrieksschema van aethylbenzeen

)

'~.t..

,

VE RSLAG FABRIEKSSC~Yffi VA~iAETHYLBENZEEN .

LIH JIDEI KOEH!, JULIANALAAN 91,

I N HOU D •

1. Inleiding;en enige economische beschouwingen. 2. Bes chikbare proc e s s e~

3. Keuze van het pr oces.

4. Over de grondstoffen

5. Vaststellen van de producti egr oot t e

6. Plaats van de fabriek

7. Toelichting bij de fabrieksschema

A. Materiaalbalansen

B. Wa rmt eba l ans en

C. Berekening van eenlapparaa t

8. Li t er a t uur pag. 1 2. 7 7 9 10 11 17 27 33

-1-~. INLEIDING EN ENIGE ECONOMISCHE BESCHOUWINGEN.

Bij de bouw van een fabriek voor de productie van aethylbenzeen moeten we ons realiseren dat dit product een tussenproduct is, we lke

~

náThydrogenering het styreen geeft. Ket styreen en butadieen vormen beide de grondstof~en voor het G.R .S . -rubber . Vandaar dat t i j den s de 2e wereldoorlog in

1942,

toen door de dwang der omstandigheden de pro~ ductie van GRS-rubber vergroot moest worden, ook de styreen-produc tie toenam.

Alleen na de oorlog, van

1945

tot

1950,

toen grote hoeveelheden rubber uit het Verre Oosten aangevoerd werden, daalde de pr oducti e

enigszins. Maar met de Korea-oorlog nam de productie weer enorm toe. Naast de toepassing voor de synthetische rubber wordt styreen de laat

-ste jaren ook veel gebruikt voor andere doeleinden, waarvan de belang-rijkste zijn: polystyreen plastic, gestyreneerde alkydharsen, styreen -butadieen,. "latex"verven en styreenphenolharsen.

Uit de onderstaande cijfers, ontleend aan een artikel van Sher -wood (1 ), zien

we

welke toename de productie van styreen in

5

jaren tijds reeds heeft plaats gehad en dat men een toename van

300%

in ver -bruik in

20

jaren verwacht.

Styreenproductie in US in million Ibs/jaar

TABEL 1.

Verbruik voor

1950

1955

1975

styreen harsen enz.

₃₅₅

620

2135

GRS-rubber

₁₇₅

380

1800

______________ ••___. 0-_- --.._- ...- ... --- .- ~~- --'~'._...'- _._..._....

-Totaal

530

1000

₃₉₃₅

Deze cijfers zijn wat gefla\eerd, omdat het verbruik niet ste eds in

l

'.

stijgende lijn zal blijven en vo.oral het s tyr e en zal binnen afzienbare~,.j.U.,.;ç/...,

-tijd voor de pr odu c t i e van ~-rubber wegvallen. Men kan momenteel ' I ;;eds geheel

s~~hetisch

rubber- vervaardigen, welke iden t i e k is aan

~

nàtuurrubber, door isopreen gericht te polymeriseren met behulp van

~

~~

.

Li -alkyl -katalisatoren volgens ZiegIer. Deze rubber wordt in Amerlka

, als Coral-rubber door Firestone in de handel gebracht en is alle en nog vrij duur, ca. het ~ienvoud~ge van de prijs van GRS door het is

o-4fJr...e.I'\.~dr e. ~!Ii{.J

preen. Wanneer binnen~ het isopreen goe1koop gefabriceerd kan wor -den, zal de petroleumindustrie wel hiertoe overschakelen in ver band met de superieure eigenschappen van het polyisopreen .

e

- - _._

-

-2-..

Bij het opzetten van ne aethylbenzeenfabriek moeten we dan ook rekening houden dat deze binnen een redelijke tijd afgeschreven kan worden •

Het verbruik aan styreenhou1ende artikelen voor Nederland over

1955

volgens het Centraal Bureau van Statistiek is: In tonnen/jaar

TABEL 2.

Styreen Po lystyreen Synth.rubbers

Import

-

1066

2689

Export

-

115

1

Productie

-

..

..

Ui t ri.eze cijfers blijkt rtuinelijk dat de afzet voor het binnenland te klein is om een aethylbenzeenfabriek te laten draaien. Ondanks dit al-les maakt de BPM op het ogenblik plannen om in Nederland een fabriek op te richten voor de productie van GRS-rubber met een productie van

50 000

ton/ja~. Het doel hiervan moet dan gericht zijn op de export

van riit product naar andere West-Europese landen. 2. BESCHIKBARE PROCESSEN.

Bij de bespreking van ne beschikbare processen zullen we die processen , welke commercieel toegepast of in toepassing kunnen komen , behandelen. Hoewel de fabrieken voor het maken van aethylbenzeen in de uitvoering van apparatuur sterk kunnen verschillen, zijn op het ogenblik slechts twee principi~el verschillende processen te onderiKk scheiden en wel:

A. Het katalytisch alkyleren in de vloeistoffase. B. Het katalytisch alkyleren in de gasfase.

A. Het katalytisch allqleren in de vloeistoff"ase.

Dit proces werd voor het eerst in

1935

door de BASF toegepast. Tijdens de oorlog werd onafhankelijk V3n elkaar dit proces in Amerika onder Dow Chemical Cy en in i)uitslann noor rle I.G.Farben verder ont-wikkeld. Er is geen principi~el verschil tussen beide processen,

al-leen verschil in uitvoering.

Momenteel wordt in Amerika volgens dit proces aethylbenzeen ge-maakt door Dow Chemical Cy, Koppers, Monsanto en Carbide and earbon.

/

,./ \.

-3--

- I

/

Alleen Carbide and Carbon werkt on~ erl~~~el druk, welke gunstig is voor het evenwicht en hierd oor een hogere omzett~ing geeft dan de an

-dere processen bij pr a c t i s ch atmo sferische druk. De hogere druk vergt

echter hogere eisen aan het materiaal, dus duurdere apparaten.

In Duitslann wordt aethylbenzeen gema a k t in ~e I.G.Farben -fabrieken

in Schkopau en Huls.

Bij tii t pr oc e s 'Jlord t aethylbenzeen gema a.k t volgens de bekende Friedel-Crafts reactie ~oor aetheen en benzeen in tegenwoordigheid van AICI

3

,

welke met 0e koolwaterstoffen een complex geeft en als

katalysator werkt, met elkaar te laten reageren. De volgen~e reac tie

vindt dan plaats :

C

6H6

ot C2

I\

~

·

C

6H

5-C2H5 + 27,191 Kcal/mol

Daarnaast vi n dt ook een verdere aethylering van het aethylbenzeen plaats tot hoger gealkyleerde producten.

De uitvoering va n het proces is nu zo dat aetheen en benzeen

lY,.0~

continu onder in een grote, met emaille beklede rea c to r, welke ~a .

80%

met benzeen) is gevuld, gevoerd wordt . Onder invloed va n met re gel-mati ge tussenpozen toegevoerde AI GI

3

,

welke met de koolwaterstoff en een cQmp l ex vo rm~, vindt nu de alky l er i n g plaats. De temperatuur wordt op 95°SJgehouden, terwijl

~e

druk de

ri

;;;~i~is

.

Daar de aethyle

--~-

"---

---

-

-ring een exotherme reactie is, is de reactor omgeven door een koelman

-tel, welke tevens als verwarmer dienst doet om de reactie in het be-gin op gang te brengen. Bovendien wordt de temperatuur nog geregeld met behulp vaneen refluxkoeler, di e de verr'lampte benzeen condenseert

en dus ook nog warmte afvoert. Ho ewe l h~t gevormd e AIC1

3

- comp l ex een hoger soortelijk gewicht

heeft dan de koolwaterstoffen, zorgt het door de alkylator borrelende aetheen er voor dat ~eze niet uitzakt. Aangezien het AlC1

3

-complex

met water reageert, mag er geen water in de reactor komen. Wel is ge

-bleken ciat een spoor water aanwezLg mo et zijn, daar het hierdoor ge

-vormde HGl als promotor ciienst doet. In de Verenigde staten voegt men apart aethylchloride toe. Bij een te hoge vochtgehalte zal niet alleen

het hoge corrosieve effect van AlCl

3

tot uiting komen in aantasting, maar bovendien neemt het verbrui k aan cie kostbare AlCl

3

toe (met een

-4-..

De afgaQsen van de alkylator (voornamelijk aethaan afkomstig van

het ingevoerde gas en Hel) komen boven uit en doorlopen een HClwas

-sèr. Het alnus behannelde gas wordt daar afgeblazen. Als de alkylator

goed werkt is geen aetheen hierin aanwezig.

De alkylatieproducten verdwijnen via een overloo p uit ~e alky

-~/ lator, doorlopen een koeler waarbij ~~ê\ afgekoeld wordt tot c~. 600

t

en komen vervolgens in een afscheiner. Door het hoger soorte lijk

ge\-richt van het complex. t .o .v . ~e andere koolwaterstoffen kan dit

vanz e Lf vanu i t ~_e aoh eLder naar de alkylator terugvloeien. Bij het

Dow-proces gebruikt men een pomp hiervoor, hetgeen in verband met de

grote corrosiviteit van het complex grote moeilijkheden le vert . Bij

o

! _, een lagere temperatuur dan

60

C wordt de viscositeit van het complex

ft

!1.1 )

zè groot dat de buizen verstopt raken. Bij

.

~

temperaturen wordt

C!/

de tijn van af'scheiding van het complex. te groot. Na d e scheiriing wor

-den de pronucten van het laatste restje meegevoerde complex ontdaan

door ze met water te wassen. Na scheiding van het water wordt de zure

vloeistof gewassen met een 20%ige NAaR-oplossing, gescheiden en

ten-slotte door een kolom vast NaOR gevoerd om de la~tste resten water t e

verwijderen.

De scheiding van de producten geschiedt door destillatie . In de

eerste kolom (20 schotels, refluxverhouding 3:1) wordt de overmaat

benzeen afgedestilleerd en teruggevoerd naar de alkyla tor . Het bodem

-product gaat naar de tweede nestillatiekolom

(

)8

schotels, refluxv er

-houd ing 3:1) waar het zuivere aethylbenzeen word t afge"ltstilleerd •

Het bodemproduct hiervan gaat na~r kolom drie () m RasChigringen,~~

_~ ~ruk) waar voornamelijk di- en triaethylbenzeen over de top kom~n.

Aangezien deze stoffen niet zujver hoeven te zijn, daar ze gerecycled

\

W

worden, hoeft het scheidend vermogen niet groot te zijn. In sommige

0) gevallen, waar men het zuivere diaethylbenzeen wil . hebben, he eft men

- --

-~ \-~i •

\J')t ~ een schotelkolom toegepast. Het bodemproduct van ko lom 1rie gaat naar

een kleine, onder vacuurn werkende batchdestillatieketel, waar de vlu

ch-tige componenten no~ wo r d en ver1 . , i j d e r d voor recycle • Als bodemproduc t

blijf t een teer over met een kookpunt hoger dan 2)00C. Dit b01 empr oduct

bestaat voor n ame l i j k uit he:Xa.a.ethylbenzeen en wa.t l, l-rliphenylae thaan ,

-5-gebruikt.

Bij het now-proces wor"!t het boriemprorluct vam kolom vier met AIC1

3

-complex in een aparte dealkylator bij hoge temperatuur omgezet in la-ger kokende producten, bestaande uit aethylbenzeen en hola-ger geaethy-leerde benzenen voor recycle. De kleine opbrengst van het hierdoor verkregen aethylbenzeen weegt niet op tegen het vrij kostbare apparaat wat men voor~eze reactie no di g heeft. Daarom 11lorrit "teze methode

te-genwoordig weinig in Amerika toegepast (Ohlinger

(7)).

De recycle van de toppro~ucten van ~e kolommen '1rie en vier is zeer belangrijk, zoals we uit onrierstaanrie bere~enering zullen zien. In ~e alkylator kan onder invloe~ van het AIC1

3-comPlex de volgen1e

reaotiesplaats vinden: C_6H6 + C_2H4 ~ C_6H

5-C

2ff

₅

6 C_6H

5-C

2H

5

+

C2H4 ~ C6H4 - (C2ff

₅

)

2 C'6R4-(B_{'2R'5)2 + C} 2Jf4 ~ C6Jf3- ( tJ2R'5) 3 etc. ( a) (b) (c)

We zien dus dat in rie alkylator naast het monoaethylbenzeen en tussen-producten ook het hexaaethylbenzeen ontstaat. Bovenstaande reacties verlopen alle even snel (Francis &Reid

(5)).

Het gunstigstvoor ons is dus wanneer reactie (a) alleen verloopt. Hiertoe is rian nodig dat er overmaat benzeen aanwezig is. Als we C

6H4(C2H

₅₎₂

aan het alkylatormeng-sel toevoegen zullen er twee dingen gebeuren: Allereerst zal volgens de wet der massawerking reactie (b) teruggedrongen worden. Bovendien zal het C

₆

H4 ( C_2H

5)2

bij a3nwezigheid van benzeen en AIC1

3

- c o

P

l ex omge-alkyleerd worden volgens de vergelijking:

(l::mgzame reactie) Deze zelfde redenering van terugrlringing en omalkylering kunnen we ook toepassen op de andere polyaethylbenzenen. Alleen het hexaaethylbenzeen kan bij neze temperatuur niet omgealkyleerd worden.

Door nu te werken met een bepaalrle overmaat benzeen en noor alle ge-vormde polyaethylverbinrlingen (behalve 0.e hexaaethylverbin1ing) te re-cyclen zal zich een zodanig evenwicht instellen, nat bruto alleen

-6-TIe mo a1 ·i r-e verhou: ad·n g ~'ter r.n. ge racb hte ' aetheen.benzeen J.8 ca. 0 58, •

Bij deze werkwijze heeft de uit ~e alkylator tre<ien~e stroom de vol-gende samenstelling (Dow (2)):

benzeen 45~

rnonoaethylbenzeen 37% diaethylbenzeen 15% hoger gesubst. prod. 2%

resi~u 1%

IK de literatuur heeft men hierover vaak zeer uiteenlopende waarden. De conversie berekend op aetheen of benzeen is ca. 95-98%.

B. Het katalytisch alkyleren in <ie gasfase.

Dit proces welke ontwikkeld is door de Universal Oil Products wordt op het ogenblik alleen door Koppers toegepast. 06k hier wordt benzeen geaethyleerd met aetheen, echter nu met een

H

3

P0

4

/ k i e z e l guhr

katalisator (vast bed). Daar r'le katalisator niet zo actief" is als de AICl

3-katalisator wordt bij hogere druk en temperatuur geaethyleerd, 300oC, 14-60 atmosfeer. De hogere druk is wel gunstig voor een hogere omzetting zoals we uit de reactievergelijking zien. De hogere tempera-tuur is echter ongunstig, zoals uit de volgende gegeven evenwichts-constantèn blijkt: bij

~oC

is deze I,9IXlOI 0 en bij 327°C 1,66xl03• Door de hoge temperatuur vinnen r1e reacties plaats in <ie dampfase. Ook hier vindt een verrter e arlkylering tot po lyaethylverbind ingen

plaats •• Een groot nadeel V!:1.n tie H"PÛL.-katalysatmr is r'!,3,t ryeze d e

poly--. ) .

aet.hyLver-bf.ndi ngen niet kan omalkyleren en bo ven d Len door de polyaethyl -verbindingen 'rornt vergiftig1. Fierr'loor is het niet mogelijk om te recyclen. Daarom moeten we zorgen, nat er zo weinig mogelijk polyaethyl -verbindingen on t.st aan !'loor een grote overmaat benzeen te gebruiken.

(~:~~::~

=

t

is gebruikelijk). Hiernoor worr'lt, ne destillatieapparatuur

voor het ache l den van n.e overmaat benzeen kostbaar. Om di t tegen te gaan wordt ne overmaat benzeen ook kleiner genomen en n.e polyaethyl-verbindingen na scheiden in een a~arte reactor met AlC1

3-katalisator

omgealkyleerd. Op d e z e manier ,.,ordt echter het voordeel van het corro-siefvrij werken te niet gedaan, terwijl !'le aparte reactoren ook kost-baar zijn.

,( '

.

\ ,'-\'',' II ;\~ll' l ' \ ,.,

..

t ~ -r ':; /' .:

\

I' .,I ; I !

, --0

1

1

I

~~!

;

-~ -.el -i T

I'

i

.1

1 ' .

n

{

;

'

_

'

j

,

':;'

_

_

.

~~}

.

_J

T

l i i I I I, I I

I

"

-e I, \.... I ,I , " . ,, / 1 J "'-~ I. \ ~ _ ~

~

__ . _ u _ m

l_

1

J

_C

_y

...

-i

1

J

1

-r

i

,

I'

j

~~

I -, -, j

J

I I

i

I

1

j

-,

r

.

(

;

~

'I

l

'f

r

-·

,

I

,

~

~

I -,J I

~

\

J

I , I

:~

IT;'

;,~

~

_

:

1

1~

'

r.

'

~

"

\

\-I

:

-I

:

,

.

.

.

\

I ' I' " , I I , 1I .

'

u

t

' 1 1 '

-..

'.

-t

-I

'

t

,

I u _ i

~

L

_._

.

_

.

---o-:;:-_-c

_

--.

Îu·~

~

'

-'~

'~1

,

--..-l

=--u '-.... __ ... _: ' -,, : ' / . 1 '-' . .. _:,: :, . ,

.r:

~

-:

\ 1 _ ' .. I -__ . _ . ., : F::L~ , ~ , .L... ... . . ... ... _" : I I

i

I

! - ----'\..cb.:.= _

i-r

- - - -- - - -

-

-7-I

I

"multi stage oper at i.on ", waar <e totale hoeveelheid aetheen in verschil -l en d e hoeveelheden in achter elkaar staande reactoren word~toegevoerd

Hierdoor blijft ~e verhou~ing be~~een groot, zodat de overall opbrengst ae een

groot ms.

Om bovenstaande moeilijkheden te ontlopen wordt op het ogenblik andere katalisatoren voor r'le riampfase-alkylering ontwikkeld, (He wel "omalkylerende" eigenschappen bezitten, zoals Si0_2/A1

₂

Q3

.

Echter be -staan slechts pilot plant installaties met deze katalysatoren, zodat ze voor ons niet in aanmerking komt.

3. KEUZE Vlili HET PROCES.

I

)

Bij r'le keuze van het proces zullen we de voor- en nadelen tegen elkaar op moeten laten wegen en hieruit het meest gunstige en econo-misch' verantwoor~e proces kiezen.

Het vloeistoffase-proces heeft naast de grote corrosie-proble-men in verband met de agressieve eigenschappen van de katalysator, ook nog het nadeel·van het be t r e kk e l i j k hoge verbruik van de katalysator

(ca. 3 gewichtsprocenten van de geproduceerde aethylbenzeen) .

De aLkyLer-Lng in 0.e dampfase heeft de volgende nadelen:

De reactor is kostbaar door de hoge druk waarbij gewerkt moet worden. De vorming van hoger gealkyleerde producten wordt tegengegaan door grote overmaat benzeen, waarnoor echter de destillatieapparatuur voor scheiding erg duur wordt. Ook kunnen we de gevormde polyalkylverbindin -gen "omal~leren" met Alel] in een aparte reactor, maar hierdoor ver -dwijnen de voordelen van de riampfase-alkylering.

\vanneer we bovenstaande nadelen van de beide processen met eLkaar

vergelijken, dan zien we dat het vloeistoffase-proces nog de minste nadelen heeft. Daarom is onze keuze ook hierop gevallen. Bovendien heb· ben we ons ook laten leiden (toor het feit dat alle moderne aethylben -zeenfabrieken op één na het vloeistoffase-proces toepassen.

4

.

IETS OVER GRONDSTOFFEN.

Het benzeen moet volkomen droog zijn en geen andere aromaten be -vatten. Thiopheen-vrije benzeen is niet noodzakelijk maar wel wense -lijk in verband met ';.e corrosie, die anderè kan opt r eden , In rl.e Vere -nigde Staten worden de vo Lgenrte eisen gesteld aan het zsg,

"styren-•J tJ ',. ~. ;. \L~ .' . '..

- - - -- - -

-

-8-grade" benzeen: kooktraject lOC, smeltpunt

4

,85° c,

S-gehalte<O , l%

(Bonn dy

(15)

,

Shewwood

(16))

De zuiverheid, welke aan het aetheen gesteld wordt, is niet groot, zolang maar acetyleen, hogere olefinen en S-verbin1ingen afwe -zig zijn. Het ga s mag wel grotere hoeveelheden inert (tot zelfs 20%)

bevatten (Oh l i n g er

(7))

.

Echter zal de conversie ~ ~__hiermee da -len. Me estal gebruikt men

95

%

zuivere aetheen.

Het ge br u i k t e AIC1

3

mag maximaal

0

,05

%

Fe bevatten.

Voor het bepalen van de productiegrootte en de plaats van de fabriek dient afgevraagd te worden waar de grondstoffen betrokken kun -nen worden.

De industrieen waar het benzeen van betrokken kan worden zijn het cokesovenbedrijf en de aardolieindustrie. Vooral de moderne re -formprocessen leveren een steeds groter percentage van de totale ben -ze en pr odu c ti e, zoals uit on~erstaand tabelletje van de productie -grootte van benzeen in de U.S .A . blijkt : (Sherwood

(16

) )

TABEL

3

Jaar Totaalproductie_{ga l l ./ j r .} Uit reformproc_{gall./jr .} .

1951

2

10.10

6

30

.10

6

1953

350

.10

6

1

10. 106

1954

140

.10

6

Voor Nederland geeft het Centraal Bureau voor Statistiek voor

19

55

de volgende cijfers : TABEL

4

.

tonnen/jr . Import

174

Export

19

. 277

Pr oduc t i e

₄₇

_.800

Mocht de hoeveelheid benzeen niet voldoende zijn dan zal deze ver kr e-gen kunnen wor ö en door uit ander e landen van Europa het ruwe ben z e en te importeren of door het benzeen uit reformingsprocess en te gebruiken . De keuze hieruit wordt bepaald door de respectievelijke prijzen van het benzeen.

-9-Het gebruik van aetheen, verkregen door hynrogeneren van acetyleen of

dehydreren van alcohol, welke vooral veel toegepast werd in de oorlog

in Duitsland, is niet rendabel van'vege ie hoge prijs. Het product van

de kraakinstallaties bevat, na fractiónermng, ca. 95% aetheen die zui

-ver genoeg is voor het aethyleren. In de Verenigrie Staten worrit 75% van de benodigde aetheen geleverd 100r kraakinstallaties. Hoewel de productiegrootte van aetheen in Pernis niet bekend is, menen we dat deze wel tot de grootste leveranciers gerekend zal kunnen worden.

5.

VASTSTELLEN VAN DE PRODUCTIEGROOTTE.

Zoals uit ne inleiding reeds blijkt is het verbruik van styreen hier in Nedèrland zeer gering. Bij de bepaling van de

productiegroot-te van de fabriek van aethylbenzeen willen we deze afsproductiegroot-tellen op het

voornemen van de B.P.M. om 50.000 ton GRS-rubber per jaar te produce

-ren of 4167 ton per maand. De verhoeding van

bu~adieen

is 2

1

,

7 ,

.

zodat

s yreen .

1126 ton styreen/maand nodig zal zijn. Bij een 90%-ige omzetting van.

aethylbenzeen tot styreen blijkt dus dat de aethylbenzeen-productie een capaciteit van 1260 ton/maand moet hebben.

Ter vergelijking worden hienonder nog enkele bekende

productie-cijfers van enige Europese fabrieken gegeven. De grootste ~abriek van

aethylbenzeen in Europa (I. G.Farben te Etns in Duitsland) kon in de

oorlog maximaal 6000 ton/maand leveren en had

8

alkylatoren van ieder

750 ton/maand capaciteit in bedrijf. De kleinste Duitse fabriek

(l.G.

Farben te Ludwigshafen) produceerde maximaal 50Q :ton/maand met 2

a1ky-latoren • In

"

.e

U. S .A. heeft ele pas in bedrijf gestelde fabriek van

Koppers te Port Arthur een capaci tei t van 3400 ton/maand waarbij met

3alkylatoren wordt gewerkt (17)

Uit ne bekende literatuur is ons gebleken dat men zowel in Duits

-land als in de U.S.A. de alkylering liefst plaats laat vinnen in grote

alkylatoren. De keuze van de alkylator is dan ook gevallen op een ge

-modificeerde altylator van de "Hulsl l t y p e_{, waarmer'ie een productie van}

720 ton/maand bereikt kan worden. Voor de productie van het benodigde

aethylbenzeen hebben we dan 2 van zulke alkylatoren nodig, waarbij nog

een beperkte hoeveelheid aethylbenzeen voor verwerking tot

Ie uit Perry:

-10-6.

PLAATS Vlili DE FABRIEK •

Bij de keuze van ne plaats voor de fabriek zouden we ons willen laten leiden door de plaats waar onze grondstoffen verkregen worden en de afvoer van de afgewerkte producten gemakkelijk is. De fabriek zou dus in de omgeving V3n Rotterdam kunnen staan, waar we maar een

korte leiding voor de aetheenaanvoer nodig hebben. Het benzeen zou ook door een leiding of per schip aangevoerd kunnen worden. De gunsti-ge ligging aan het water voor

aan-

en afvoer lost de transportproble-men op, vooral daar we het grootste dèel van de afgewerkte producten moeten exporteren.

7.

TOELICHTING BIJ DE FABRIEKSSCHEMA.

De tekening geeft het vloeistoffaseproces weer zoals beschreven onder 2.A, met dien verstand~ dat er enkele wijzigingen zijn aange-bracht in de apparatuur. Als toelichting moge nog vermeld worden: De alkylator, injector en afscheiders, welke met HCl of AlC1

3

in

aan-raking komen, zijn vervaardigd van Duriron, welke 21% Si bevat. De injector en afscheider, welke met NaOH in aanraking komen zijn ver-vaardigd van Durimet, een Cr-Ni-staal.

In afwijking van de beschrijving in 2.A is de koelmantel vervan-gen door een buizenspiraal, ~lke aan de buitenkant gelast is. Een ge-deelte van deze spiraal dient tevens om benzeen en aetheen v66r t~ ver-warmen, waardoor afkoeling veroorzaakt door deze ingevoerde stoffen niet zo groot wordt en de reactie regelmatiger verloopt.

De hoeveelheid HCl is te klein om in een Kdrbate absorptietoren geabsorbeerd te worden. Hiervoor in de plaats wordt nu een absorptie-toren gevuld met raschigringen gebruikt.

Het aantal schotels in de kolommen is uit de literatuur overge-nomen. De dampsnelheid in de schotelkolommen is berekend met de

formu-V

_

\

<

y

;o

,-

flJ.J

- v

P.L

Hierin is

V

de dampsnelheid in ft/sec.,

~ de vloeistofdichtheid en

jJJ.. de dampdichtheid.

-11-vlo eist of s lot.

In de berekening is een schotelafstand van 18 inch en een vloeistof

-slot van 1 inch aangenomen. De kolomdiameter vo~gt ui t de dampsnelheid

en de àampbelasting. De hoogte van de gepakte kolom is uit de lite

ra-tuur overgenomen. Bij de berekening is er een dampsnelheid van

50 cm/sec aangenomen. Met grafiek 16 op blz. 684 van Perry is nagegaan

dat bij deze snelheid geen "f l oodi n g " en geen droogvallen van de pa k

-king optreedt. A. MATERIAALBALAN8EN. De Alkylator . ) Benzeen Aetheen Recycle ~ Productiestroom (via complexscheider)

>

Af'gas

Bij het opstellen van de stofbalans voor de alkylator moeten we de sa

-menstelling van het alkylatieproduct weten . Deze heeft~ afgezien van

het complex, de volgende samenstelling

(7)

:

TABEL

5

.

Gew

.%

Benzeen 45

Aeth~l'benzeen

37

Diaethylbenzeen 15

hoger gealkyl.prod .

fractie l80-2500

c

2

Re s i du 1

De fractie 180 - 2500

c

en het diaethylbenzeen wor-den gerecirculeerd .

Het aetheen bevat 5 gewichtsprocenten aan inert (aethaan) .

AlC1

3 moet in de hoeveelheid van 4 gew. % van de ae

thylbenzeen-productie toegevoegd worden (14). Van dit toegevoegde AlC1

3 reageert

5% met het water, welke met de aetheenvoeding is meegekomen, waardoor

HCl ontstaat, die als promotor dienst doet. De rest van het toeg

evoeg-de AlC1

-12-volgende samenstelling (15): TABEL 6. Gew.% -A1C1 3 gebonden 26 A1C1 3 vrij 1 Benzeen aethylbenzeen

4

8

Hoger gealkyl.benzenen 25

Totaal 100

De verhouding van benzeen/aethylbenzeen in het complex is deze l fde al s

in het alkylatieproduct . De hoger gealkyleerde benzenen bestaan uit

diaethyl - , triaethyl - , enz. tot hexaaethylbenzeen. Het hexaaethylben

-zeen komt in het residu en wordt niet gerecirculeerd. De ver h ou di n g van het diaethylbenzeen, fractie 180 - 250°C en residu is ook weer de

-zelfd e als in het alkylatiepro1uct. Het complex, bevattende 95% van

het t oe gev o egd e AlC1

3

'

wordt me t de productiestroom uit de alkylator

meegevoerd. Onder productiestroom verstaat men de uit de alkylator ko

-mende stroom, nadat het complex is a~gescheiden.

Bij een productie van 24 ton/dag=- 1000 Kgjuur kan nu met boven

-staande bekende gegevens een materiaalbalans voor de alkylator opge

-maakt worden welke in tabelvorm ms gegeven : zie tabel

7

.

De stromen

zijn gegeven in Kg/uur.

Ter toelichting dient nog dat bij het berekenen eerst de samen

-stelling van het complex uitgedrukt wordt in

%

va n het alkylatiepro

-duct. De hoeveelheid aetheen wordt berekend op de hoeveelheid , d&è n

o-rli g is tot het vormen van ~.e ge s ub s t itu e er d e benzenen, waarbij '1e r e-cycle van de polygesubstitueerne benzenen in aanmerking wordt genomen.

Aangenomen is dat de fractie 180 -250°C uit t e t r aa e t hy l ben z e en bestaat.

De Complexafscheider.

uit alkylator

via koeler I---~>alkylatieproducten complex

I

Uit de literatuur (5) blijkt ~~t men ca.O, l mol AlC1

3

op 1 mol benzeen

nodig heeft voor de alkylering. Omgerekend op het com)~ex blijkt dat we dan ca. 500 Kg/uur complex nodig hebben. Na het doorlopen van een koeler wordt het complex in een afscheider gescheiden. Het compl ex

'.-)" . .."" .~ ,l . / cf. (:<~ , !,', - '

l ."\

"AA ' "'; \.I .. ~{ t...V..(..N- ·

t

""

.

\Jl l • . ;..

,

~---_. - -

-

-13-wordt gerecirculeerd terwi jl de pr odu c t i e s t r oom met wat gedispergeerd complex naar de wat er wass er ga~t. De samenste llin g van deze stroom is in tabel 7 gegeven. Tabel 8 geeft een totaalbalans over 1e alkylat ie .

Bij het vaststellen van rJe grootte van de producti e hebben we

ge z ien dat we 2 reactor en, elk met een capaciteit van 720 t on/maan d nodig hebben. Daar ',re gebruik maken van het terugvloeièn van het com

-plex in de alkylator door het hogere s.g., moet deze dus met de c om-plexscheider een gesloten systeem vormen.

De stromen van de 2 alkylatoEen wor1en nu na de comp lexaf s ch e i ct er bijeen gebr a cht en als ~~n stroom verder verwerkt.

De Waterinjector.

In plaats van de conventionele waterwasser met roerapparaat word t

hier een injector gebruikt.

uitgaan1e stroom

~

l

:»

productiestroom

met

[

----

-

~

meegevoerd complex I---~

>

(2..)

De twee bijeengebrachte pr oduc t i es t r omen worden met 6000

Kg/uUr

wa t er

gewas s en om het meegevoerde complex te ontleden. Zowel het vrije als het gebon den AI Cl

3

wor1en on t l e ed vo l ge n s onderstaande vergelijking:

We nemen aan dat (Je hierbi j vrij komen d e koo lwa ters t of f en (zie tabe16)

meegevoer1 wo r ten in de stroom . He t vrij gekomen HCl wor d't opge l os t in

het wa ter .

De \vat e rafschei~e r .

organ i s ch e str oom

van \..rat er i nj ector komende st r o om

wat er s t room me t opgelo s t e stoffen

(

3)

, (4)

( 5)

De st r o om, we lke uit 1e injec t or komt, wor dt nu in een af s ch e i

-der gescheiden in or gani s che ~to f en wa t er . We nemen aan, da t in 100 g organi sche st of

0,0'75

_{g H2}0 'ls opgelost. ~~. opg~lost ~.wate:....be~ e~n evenr edi ge hoeveelheid HCI . \ ~.1 1(1 ., - .

. . J

-/ ./

--13a -TABEL 7. --- --- - - --- - - -- "7 Benzeen Aethylbenz een Di aethylbenzeen Frac t i e 180-250oC Resi du A1C1 5 gebonde n A1Cl'L vrij o Alkylat i eprod . Kg/uur 1.180,17 970,36 390,39 52,45 26,23 2.622,60 Compl ex Totaa l Kg/uur Kg/uur ---_.- - -35,93 1.216,10 29,64 1.000,00 28,40 421,79 3,83 56,28 i

I

1,91 28,14 i ,)5,51

j

_55,51

I

1,::56 1,36 I 136,58 ____2. 759,18

.

...

TABEL 8. - -- ~ ---e_{._--- ---}stromen in Kg/uur ._--- _.".-Com- Af gas Totaal Iplex

-i

stroom i

.

_i

-

-1 I 1

i

I _!

I

35,39 I 1216,10

I

I

I

i 1

i

36,87 06,87 29,64 1000,00 28,40 421, 79 I I 3,83 56,28

I

, I _{1,13 1,13} I

i

j -1,59 1,59 '14,91 14,91 1 i j 1 91

i

28,14 +-_!_--~ 1107,71 '16,50 2776,81 i 52,45 26,23 56,28 14,91 970,36 4;21 , 7~) 393,39 ~8 3,30 1960,84 1180,17 0,78 ;)8,91 56,28 ! 421,79

I

_{I 38,91} , 1 i 1216,1~ ! i 0, 78' 14,91 283,30 744,74 298,99 j 1694,17 ;)8 , 91 I 744,74! ! E B H 20 AIC1 3 E.B. D.E.B. fr acti e 180":250° Al(OH)3 HCl Inert R Totaal ,--- - - - r- - - - -- --- -- ---

-Inga an de strome

-

.-

n in Kg/ uur Uitgaand

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

_.

.

- "-- -_. --- --_._--- -._-

-Ben- Aethy- \Recycle- lAlC1₃ Totaal Pr oduc-zeen- leen- stroom

I

tiestroom stroom st r oom i i

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

-.----I

---

-14-TATIEL 9. ST()F~ALo\1JS 1!lATERINJECTOR.

---- - -

- - --

_...

Kg/uur ingaand Kg/uur uitgaand

Productiestroom ~NaS1..1ater

stroom (3) met complex ( 1) (2)

-Benzeen 2.43 2,20

-

2.432,20 Ae t hy l b en z een 2.000 ,0

-

2.000,0 TIi3.ethy1benzeen 84},58

-

Rh3,58 Fra.ctie

180

-250

oC

112

,56

-

112

,56

Re s I du ~?..1'-', 28

-

56

,28

AlG1 3 73,74

-

-Al(OH)3

2,26

-

45,34 H

₂₀

-

6006

5

.970

,18

RC1

-

_{-_.}

__

_.

-

60,48 _._--- -5.520,62 6000 ---- -- - -- ->--. 11.520,62 11.520 ,62 ._-

-T.ABEL 10. STOT<'3 AL AlfS W"ATERAFSCHEIDER.

Ingaand Uitgaand

(3) (4 ) ( 5)

.

_---_.

_.

Benzeen 2.432,2

-

2. 43 2,20

Aethy1benz een 2.000 ,0

-

2.000,0

I

Diaethylben z een 843,58

-

843,58

I

Frac t ie 180-250oC 112,56

-

112, 56 Re si du 56,28

-

I _56,28 A1(OH) 3 45,34 45,34

-HCl 60,4S3 60,44 0,04 H'îO 5.970 ,18 5.066_{.10 4.08} z, '--

__

--f:..

!

_

Q2.

L 88 5.448.74 11.520,62 _11.5?0,62

•

i", (

---

15-Or gani sche stroom uit het loogmengsel

stro om afkoms t ig van de waterafscheider

2Q%-ige Na OH- op l .

( 5)

(6)

(7 )

De Looginjector.

Om het opge l os te HCl t e neutr a l is er en wor li.t de uit de wateraf-scheider komende st r oom

5

gemengd met 5000 F~uur 20% Na OR- op l os s i ng.

In plaats van een gewone roerrnen ger wordt ook hier weer een

~

j ect~

ge

::uiê

_

~

1

~

TABEL 11. STOFBALANS LOOGIN JECT OR . ---...,~.._._...~...

__

.._ .---Ingaand Ui tgaan d (5) (6)

(7)

Organische st of 5.444,62

-

5.444,62 H₂₀ 4,08 4000 4.004,10 HCl 0,04-

-

-Na OH

-

1000 999 , 96 Na Cl

-

-

_- 0,06 5.44 8,74 . ~ - - - - _5000..

_

_

._ -~~_._.,.-_.__.__._.. 10.448,74 10.448 ,74 _..--_."--"~- - ''- '- -,-...,..-.,._ ,_ ._._ ,. _- ~._.'-"

__

. Voor samen-stelling org. stof zie tabel 10 stroom

5.

De Loogafscheider.

De van de looginjector komende stroom wordt nu in een afscheider

ges ch e i d en in organische stof en loog. De afgescheiden loog wordt te

-ruggevoerd naar de voorra adtanks en opnieuw gebruikt. Wanneer de loog

-op1ossing te verdund wordt, wordt deze vervang~D door nieuwe 20%-ige op1ossing, welke gedeeltelijk van de NaOH-drogers verkregen kan worden.

Ook hier nemen we aan dat er 0,075 g H₂₀ is opgelost in 100 g organische stof. In dit water is opgelost NaOH en NaCl. Daar dleze

hoe-~~

veelheden voor ons niet interessant en bovendien erg klein zijn, nemen we aan dat in de oprganische st of zuiver water is opgelost.

~

(7) van looginjector komende stroom

r

I_ _~__>- (8) loogstroom met opgeloste stoffen wlke

gerecirculeerd wordt.

~ - - - --~--- ---

_.~---

-16-:Er 0 2 NaOH NaCI 4.000,02

999,96

De Droogtoren.

Het uit de loog afscheider komend product wordt gedroogd door het door een toren met vast Na OH te leiden. Het opgeloste NaOH wordt aan de onderkant afgetapt en na verdunning gebruikt voor het neutrali-ser en , t J '>

-

6

~·c1 I -I ~ 1 ! I I C J.to~ Iuo

oe.

-

--

-

I

'--~---~ I ). > De DEstillatiekolommen • .<.

T80r;-,

l

I

~

I J

'~

~

~,

I

A ! I I l/y'if~

]

---'7-A::: Benzeendestillatiekolom B '" Aethylbenzeen de st.kol~m

G.=Diaethylbenzeen dest .kolom

D =- Fractie hoger gealkyleerde benzenen dest.kolom.

Bovenstaand zijn de destillatiekolommen schematisch weergegeven. Van de eerste twee kolommen A en B is de refluxverhouding

3:1.

Kolom C is voorzien van een dephIgmator. De condensvloeistof hiervan wordt niet teruggevoerd. Kolom D heeft geen dephlegrnator, terwijl het condensproduct hiervan ook niet teruggevoerd wordt. Kolommen C en D

werken onder vacuum (20 mm druk).

De verschillende stDomen met hun samenstellingen zijn gegeven in tabel

13.

-16

a-'l'ABEL 13. Samenstelling van de verschillende stromen in Kg/ uur.

t -- - - - t--- - - --- -

--..--- - - -t---- --- -- --- - -

---Benzeen Aeth

yl-benzeen _ __ - - - - O J 5.444,62 9.728,8 7.296,6 2.432,20 3.012 ,42 8.000 ,00 6.000,00 2.000,00 1.012,42 843,58 845,58 168, 84 112 ,56 112,56 56,28 Totaal 56,28 56,28 56,28 56,28 112,56 112,56 112,56 112,56 112,56 843,58 843,58 843,58 843,58 :1.000,00 8.0 00,00 6.00 0,00 2.000,00 ! i , I ! _.. I I

.

-2.432,20 2.000,00 9.788,8 7.296, 6 2.462 ,20 I A 1 AZ A 3 A 4 A =B r 1 B_Z BB B 4 B =C r 1 C

_z

C 3 C =D r 1 D 2

Do

D r

-)'. ;, I ,-I.\."~. I" , \1

- --- . ~ - - - -

--17

-B. \vARMTEBALANSEN.

De soortelmjke warmten, nodig voor het opstellen van de warmte-balansen, werden verkregen uit de bekende handboeken. In die gevallen,

waarin de literatuur ge en waard~n opgaf , werden waarden aangenomen.

Deze zijn apart vermeld.

Aetheenverhitter.

Het aetheen wordt, voordat het in de al ky l a t or komt, voorverhlt tot

8o

oc

,

door dit ie leiden door een buis, welke als een spiraal.aan

de buitenkant van de alkylator is ge l a s t .

De benodigde warmte wordt berekend met de formule

tPw

=

c?

r-n -

CF •

D-

T

cf:~ ;:warmtestroom (Kcal/uur)

CÄ

-

mas ea.str-o om (Kg/uur)

~ ~

~p ~so ort e li j ke warmte (Kcal/Kg

°C)

AT :t emp er a t uur s v er h og i n g.

1'wi n tabel 14 is hiermee berekend.

TABEL 14. ~!I.ARl1TESTR00!1 VOORVF.RHITTEN AETHREN.

Aetheen . ..

~

~;:~u~rl~:

-:~~oc ~

}

~

:1~

:

·

F

b:?i~

t:

6~~::~:

ur

Aethaan

I

14,91 0,446 80

I

20

I

398,7

-

To~~i

~-~=~~--~J

-

.-

••·-

~~-_.

_--_

.

.

~.

-_....-.

.

.:~

__

~-- -._:

-:- -:·:_--~_-::~-~~

r_

--:~~~

__

~

-~-

1_

~

?0l~~

9

Benzeenvoorverwarmer.

Op dezelfde manier als het aetheen wordt de door vast NaOR ge

-droogde benzeen voorverwarmd door de warmte , welke van de a..lkylato r

vrijkomt. De benodigde hoeveelheid warmte wordt weer berekend met de formule

cf

re-. ;: 745 Kgjuur

Cf. p ..0,46

T begin » 200C

T eind

=

800

c

-18-Al ky l a t or .

In de alkylator vindt de volgenne reactie plaats:

C2H

4

t- C6H

6

~ C

6H

_5-C

2H

5

g I l

De reactiewarmte of enthalpieveranrlering is ge l i j k aan de algebraische

som der vormingswarmten van de producten verminderd met rie

algebrai-sche som der vormingswarmten van de reagerende stoffen. We krijgen dan

de volgende formule:

AH~

=

(

L Cè,

H 5

~

-

LAHf

~

.

~ )

~ & e.

Uit Selected Values van Rossini vinden we de volgende waarden:

Benzeen bij 25°c (1) vormingswarmte A

Hr

::11, 718 Kcal/mol

J

Aetheen bij 25°c (g) "

.6.H

J

=12, 4 96 Kca.l/mol

Aethylbenzeen bij 25°c (1) 11 ~l-\~ =-2,977 Kcal/mol

Substitutie der bekend~ waa r den geeft:

b.H_{reac 1e}t.::: -2,977 - 12,499 - 11,718_. =: -27,191 Kcal/mol

De reactiewarmte/mol welke vrijkomt bij 25°c is dan 27, 191 Kcal De reactietemperatuur is echter 95°c, zodat ook de reactiewarmte/mol

een andere waarne heeft en wml:

Reactiewarmte/mol =27,191 - C (95 - 25) -t- C (95 -25)+

PEE PB

C (95 - 25)

PE

CPEB = soort.warmte

aet~ylbenzeen/mol

...

0,416.1G61ba1/moloc

=44,I~~~~t

C = eo ort swarrnte benzeen/mol = 0,44.78~al/moloC = 34,32 Kcal/mOloe

PB

C~ = soort.warmte aetheen/mol =0 , 4 04 . 28 Kca l / mo l o C = 11,31 Kcal/moloe

E

We vinrien,na substitutie, voor de reactiewarmte bij 95°c: 27 297 Kcal_{, mol}

Per uur worrlt 1000 kg~aethylbenzeen gevor md . De in de alkylator ontwik·

kelde warmte per uur is dan

--

19-Deze warmte wordt gebruikt om:

1. Reagen t i a v66r t e warmen .

2. Reag en t i a op te warmen.

3. Ben z e en te refluxen.

4. ~I[at er in de koelbu i zen op t e warmen.

, .

De volgende stromen moeten opgewarmd worden:

a. 745 Kg/ uur vers benzeen van 80° tot 95°c.

b. 1216 Kg/uur recyclebenzeen van 60° tot 95°c.

o, 478 Kg/uur diaethyl- en polyaethylbenzeen van 60° tot 95°c'.

d. 500 Kg/uur complex van 60° tot 95°c.

e. 299 Kg/uur aetheen en inert van 80° tot 95°c.

De hiervoor benodigde hoeveelheid warmte is in onderstaande tabel 15

geg ev en , berekend met de formule: ~ r~

')l-'Iw::= "+"ffY) .

c.

_p ,

A

T

TABEL 15. Tb_egln.

~w

°c I Kc a l / uu r 80 4.91'7 60 19.579,2 60 8.366,2 60 _9.625,

°

80 1.803,0 ---..~.-' -44.290,4 - - - - -95 95 95 0,50

*

0, 55iK 0,402 Totaal Verse benzeen Recycle benzeen Diaethyl- en polyaethylbenzeen Complex Aetheen en inert 11--- -- - _. .. _ ..__

!;

U~~

-

l~~~;:;

:Te~~-

-I

.

~---'-' --- '-'-'---1"-'--- ---~---_._---- -- - -. : J

I

745

i

0, 44 95

I

1216

I

0,46 95 I

I

i

478 1

!

500 ! 299 1- - - -- -- _ ·_ - -+--- -- - - -- ----....--- --.. --

---I

---_ -:;,:

aangenomen 11/aarden.

TA.BEL 16.

Kcal / uur -- --- --- -- - -- --- -- - -- - - -...- - - - -Kcal/uur - .

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

- - - -

---.

7.112,9 20.562,0 44.290,4 In de al ky -lator ont-wikkelde warmte Totaal Aetheen vó6r verwarmer

Verse benzeen v66r verwarmer

Warmt e om storfen op te warmen

Warmte af t e voeren door

ref1nx-_________~~ ~Q_~2...~len ..__. . .~-~~ : ~~~'7._

-20-Koeler na de reactor.

Om complex en reactieproducten goed te schei1en moeten deze ge

-koeld worden tot 60°C. Dit gebeurt in deze koeler. Bij lagere tempera

-turen wordt ~e vloeistof z6 visceus dat 1e lei df i n g en verstopt kunnen

raken. Bij hogere temperaturen is 1e bezinkingstijd van het complex

t e Lang,

De hoeveelheid af t e voeren warmte ~"orrtt gegeven in tabel 1'7.

8.858 ,7 9.6 25, 0 53 . 112 ,9 19.579 , 2 15.050,0

cf

_w ,Kca l/ uur I I -- - - - -- -

...

60 60 95 95

!

, i , I ---..-- ~._--.._---""'--- ----<- - -- - - - ---0, 50~ 0, 55 of 506,2 500,0 Totaal TABEL

17

.

I

~

~

--r

c;

- -

Tbegi

~rT~ind

I

Kg/uur iKcaJKg°c

I

°c r °c

-

---

-

--

---

---- ----

..

~---- -_t--- - -

..

-~---_, -

-

---~--

..

---- ---~-- --1216,1 ! 0,46 95 60 ! 1000

I

0,43 95 60

I

I

i 1_i

I

I

J

1

-i !_,Ben z e en

i

Aethylbenzeen

I

Diaethyl- en

i

pol yaethylbenzeen Complex

*"

aangenomen '>laar rten•

Waterin,ject or ,

De st r omen uit 1e twee alkylatoren worden hier samengevoegd en verder verwerkt als ~dm stroom. Het meegevoerde complex wordt met wa

-ter ontleert, waarbij warmte vrijkomt. ne vrijgekomen warmt~ warmt het

water en koolwaterstofmengsel op. De oplossingswarmte van AlC1

3 in water is: 77,9 Kcal/mol

~

~

• 103 Kcal/Kg.

Wanneer we aannemen, dat 1e oplossingswarmte van het aan het complex gebonden AlC1

3 dezelfde is als di e van vrij AlC13, dan krijgen we de

volgende berekening: Per uur wordt 73,74 Kg AlC1

3 opgelost ; de hierb i j vrij komende warmte bedraagt dan: 73 '74

7L.2.

₁₀₃ - 4 ':r.c~l/uur

, ')( 133 · - 3.190.0..' ~

We zullen nu nagaan of 1e injector gekoeld moet worden.

°

Wanneer de begintemper atuur van het water 20 C, van het koo lwaterstof

-mengsel 60°C is, en d e tempera-tuur van het mengsel welke de injec tor

- - -- - - -- - -

~-

-21-• e )(60-x )+ 43.190== GIN .

c

(x- 20~

PpEB P

_w

gewicht benzeen ~24 3 2,2 Kg/uur

11 aethylbenzeen ::2000 Kg/uur

" polyaethylbenzeen

=

1012 ,4 Kg/uur

" wa t er =6000 Kg/uur

s.w. benzeen : 0,4 6 Kcal/KgOC 11 aethylbenzeen :::0,4 3 Kcal/Kg°C

" pol ya ethy l ben z e en :=o ~~o Kcal/KgOe

11 water 1,0 Kcal/KgOe G_B :: GEB ::: G_pEB

=

G W :: C

=

PB

Cp := ~e EB =-PpEB

e

= pW

Na su sb t 1·tUle en op ossen vln't· 1 . ~Len we voor x : 37°c.

We behoeven de injector dus niet te koelen .

Neutralisatiewarmte in ne looginjector. H<"~)

+

OH(-) - H

20

-+

13,8 Kcal/mol

j. ddt'l.g(.>'\.u ...

<.->vd 4",t <. •

We zul len hier nagaan hoeveel rle neutralisatiewarmte bedraagt .

In het water van rIe organischo. vloeistof is opgelost 0,04 Kg/uur KeI .

De neutralisatiewarmte, welke rlan vrijkomt is dan:

o

04

3

~ x. 13,8 '" 10 = 15,2 Kcal/uur.

Deze is zo gering rIat het geen invloed op rIe temp zal hebben.

Warmtebalans ko:tom A.

Voor rle ~ummer in g van rle verschillende stromen wor~t ver we z en naar het schema van de rlestillatiekolommen (f i g

J)

.

Met de stromen Al , A2,

A3

,

A4 wornen de stromen 1, 2, 3,

4

van kolom A bedoeld. Ar is reststroom van kolomA en is gelijk aaa st r oom

BI va n kolom B•

..,~

Dé bodemtemperatuur van kolom A i s l48°e, terwijl de t opt emp er

a-tuur 80°C bedraagt.

Ye~kl~i~g_v~_d~ ge~r~i!t~ ~f!ortinge~ :

GAl EB 0 gewicht aan aethylbenzeen in stroom Al in Kg/uur .

GAl E , , 11 11 benzeen in stroom Al in Kg/uur .

WE 80 = enthalpie dampvormig benzeen bij 80°C in LKga l /Ki!

i

\...

"\1 /.L

tC\..,

:/>---

-22-V

B

=

ver damptngavarmte van benze en in Kcal/Kg .

Cp EB : s.w . vloeibaar aethylbenzeen in Kcal/KgOC.

Wanneer stroom Al een temperatuur heeft van 20°C, A2, A3, en A4 een

t emperatuur van 80°C en stroom Ax

=

BI e en temperatuur van 148°C, dan

kunnen we 2 warmteinhoudsvergelijkingen opschrijven , nl. één voor de toegevoerde stoffen en êên voor de afgevoe$de stoffen . Hierbij is aan

-genomen dat het ketelproduct Ar uit zuiver aethylbenzeen bestaat.

T

=

toegevoerde warmte in de vorm van warmteinhouà v.d . product en

=G_A1 B • wB 25 + GAI EB • wEB 25

+

_GA3 B • wE 80

A: afgevoerde warmte in de vorm van warmteinhoud van de producten .

=: GA2 B • \N

n

80 T GAr EB • wEB 148

~

Herleiden we de enthalpi~en bij hogerè temperaturen tot een enthalp i e

bij 20° C met behulp van s.w . en verdampingswarmte, waarvoor de volg en-de substituties moet worden ingevoerd:

__-,""-) De aan de ver~amper toegevo er d e hoeveelheid ~erd is gelij k aan het

verschil van afgevoerde en t.oe gevo er-de warmte. 'Du s : .-.... ~'\

·~er d

=

A - T W_{B 80} :: w_B 20 + C PB(80' - 20) + VB wB 80 :::: _WB 20 +- Cp (80 -20) B wEB 148 ; wEB 20

+

C (148 - 20) PEB

dan krijgen we, daa$ bovendien:

GA2 B

=-

GAI B

+

GA3 B en G_Ar EB = GAI EB de volgende vergelijking: Q. =G_{A2 B} • G pB(80 - 20)

+

GA2 B • VB

+

GAr EB • CPEB(148 - 20) G_{A3 B •} C P B( 80 - 20)

De hierin voorkomende grootheden zlJn alle bekend:

G

A2 B

=

9.728 ,8Kg/uur GPB ~ 0,46 Kcal/I{g°C

G

=

7.296 ,6 Kg/uur C - 0,48 Kcal/KgOC

~B p~

G

Ax EB =3.012,4 Kg/uur VB ~ 94,4 Kcal/Kg

Na subs titutie van deze waar ~ en krijgen we:

-23-"De hoeveelhei1 warmt e weLke van "e con-t en sor moet ,.,orrlilen afgevoerd is

~condensor = G_{A2 B • VB}

Na substitutie van ile bekende waar~en krijgen we:

~cond~nsor ~ 918.399 Kcal/uur. Warmtebalans kolom B.

Op analoge wijze als bij kolom A wordt hier de bereken ing uitge

-voerd. Stroom

BI

komt de kolom in met een temperatuur van 14 8° C. De

stromen B2, B3, en

F4

hebben eBn temperatuur van 136°c, terwij l Br

een temperatuur heeft van 1920C.

Na substitutie en vereenvoudiging krijgen we de vol gen de formu

-le voor de J. •

"Verdamper·

~erd

=

G_{B2 EB} • VEE + G_Br EB • Cp~_(192-l36) - GEI EB • C (148-136)

~I~ PEE

De hierin voorkomende grootheden hebben de volgende ,vaarden:

G_BI EB = 30 12,4 Kg/ uu r . C. ",,- 0,60 (voor traject 136 0- 14.90 ) IJEB G_{B2 E}B :::"8000 Kg/ ulJ.r . CP:s:s -- 0,

58 (

11 I1 1360- 1920) G_Br EB ~;;:"'lO I 2,4 Kg/uur. _{Kca l / Kg} Na substitutie krijgen we ;;. _ .:J = 65'9.214 Kcal/uur. -verr1.

De af te voeren hoeveelheid warmte door de condensor ~c be1raagt dan :

~ 648.000 Kcal/uur.

warmtebalans kolom-f.

De stroom Br :: Cl van kolom B zal bij intreie in kolom C plotse

-ling een lagere druk (van 20mm Hg) hebben. Hierdoor zal een groot deel

van de vloeistof verilampen. Voor het opstellen van een ~mrmtebalans

over de kolom is het noodzakelijk om t e weten hoe groot de verhouding

damp/vloeistof van het inkomende product is onder een bepaalde druk

en temperatuur.

We stellen ons voor dat ~.

.,e

de vloeistof Lel van 1 atm. en 1920C

-

-24-lom komen. ...-._~>-G' Cl 20nnn Hg 70°C.

1 atm.

~~~o

-c-.

1'>

_

[

~~

L

J

L

D~ ui t _~ e ~o_~__komende gas- en vloeistofstromen zijn resp. G' Cl en LtCl.

De stroom L_CI bestaat voor het grootste deel uit diaethylbenzeen.

Nemen we aan dat de uittredende stromen de kooktemperatuur van het di

-aethylbenzeen bij 20nnn Hg-druk hebben, nl. 70°C (dit is een grove be

-na.dering) en stellen we de entha.lpie bij

oOe

gelijk aan 0, dan is:

w. =: LCI _• C _• 192 L CI PCI wL' r. L'CJ •

c'

• 70 Cl PCI W CP ..'7"~ G'CI

•

V

+

G'CI • C' • 70 Cl PCI

Bij adiabatische ontspanning geldt: w

L

=

wL'

+

WG,

Cl Cl Cl

Bovendien is: Lel ra G' Cl

+

L'Cl

Bij benadering mogem we ook nog de soortelijke warmten aan elkaar

ge-lijk stellen. Uit bovenstaande vergege-lijkingen en aannemingen vinden

we nu: Lel .C_p

(19

2 - 70) G' _Cl " V

•

J

1 _ Cp

(19~

- 70)

1

en L'CI

=

L_CI \ j : 1012,4 Kg/uur. = 0,65 Kcal/KgOc.-\

:;;: 90 Kcal/Kg . ..j geschatte waarden.

Na substitutie van de bekende waar~en vinden we:

G'CI =: 892,1 Kg/uur.

L'CI ~ 121,5 Kg/uur.

Hoewel de berekening door de aannemingen erg grof is, toch kunnen we

waarnemen, dat het grootste deel van de stof in gasvorm de kolom

bin-nengaat,

-25

-overgaan, zullen we eerst de hoeveelheid warmte welke door de

dephleg-mator afgevoerd moet worden vas tstellen.

Wanneer we aannemen dat 1/2 G

C2 door de dephlegmator wordt

af-gevoerd, dan bedraagt de afgevoerde warmte:

Q,,'lephlegmator <::.

~

GC2 • Vn EB

GC2 'I:lI 843, 6 Kg/uur.

V_DEB

=

90 Kcal/Kg (geschatte waarde)

Na substitutie krijgen we: 6

Q.d_nephl_{egma or}t

=

37.9 1 Kcal/uur.

De hoeveelheid af te voeren warmte door de condensor is dan:

Q.condensor

=

GC2 • VDEB

::: 75.922 Kcal/uur.

Voor de warmtebalans van kolom C zonder condensor kunnen we nu de vol-gende vergelijking opschrijven, welke in principe dezelfde is als bij de berekening van kolom A en B:

~erd.

+

G' Cl • 'Jr'Cl

+

L'Cl • w' Cl =' G_{C2 • W'C2}

+

G

er •

wCr

+

Q,dephlegm. Wanneer de toptemperatuur

zijn, de S.W. alle gelijk

(aangenomen), dan krijgen

en ne bodemtemperatuur resp. 70°C en 110°C'

en de en thalpie bij OOC is gelijk aan 0

we het volgende:

_"V'

_{Cl ::::.} 6'

_•

70

+

V DEB P w' _Cl = C _• 70 P 1.1[c2

-

C_{p •} 70 + V_DEB wCr -;:; C • 110 P

Na substitutie en vereenvoudigihg krijgen we:

~erd :. G

_{cr •}

CpC 110 - 70)

+

(G~ - G' Cl) _VDEB

+

~dephl

G_Cr

=

168,8 Kg/uur.

G

C2:::: 843,6 Kg/uur.

G'CI~ 892 Kg/uur.

Na invullen van deze

Cp = 0,65 Kcal/KG-°C.

VDEB~ 90 Kcal/Kg.

~Ephl':" 3'7.961 Kcal/uur

beken~e waarden krijgen we:

•

-26-Warmtebalans kolom D.

Hier wor~en de lichte producten bij 170°C en 20mm Hg-druk uit

het residu verwijderd •

Op analoge wijze als bij de voorgaande kolommen kunnen we ook hi er met de bekende grootheden als verdampingswarmte, S.'N. en gewiehts-hoeveelheden een formule opstellen voor de benodigde toe te voegen

warmte. We vinden dan:

~erd

=

Gn1 • Cp(170 -Gnl :=. 168, 8 Kg/uur. Gu2 - 112,6 Kg/uur. 110)

+

_{GD2 • Cp( 120 - 1}'70)

+

_{GD2 •} V Cp ~'::' 0,65 Kcal/kgOC (geschat) V :c-: 90 Kcal/Kg.

Na substitutie va.n deze bekende grootheden vinden we:

~errl:: '72 . 303 Kcal/uur.

De af te voeren hoeveelheden warmte door ne condensor bedraagt dan: ~cond = _GD2

.V

+

_{GD2 • Cp(1}'70 -110)

- 112,6 .90 -\" 112,6 • 0,65 • 60

-27-Berekening van het aantal theoretische schotels van de Ie kolom.

•

Ter vereenvoudiging nemen we aan, dat 1e voeding slechts bestaat uit benzeen, aethylbenzeen en diaethylbenzeen •

Per uur wordt gevoed:

24~2 Kmo

1

Benzeen

2.432

Kg

=

7

Kmol - 31~2

Aethylbenzeen :

2.000

Kg

=

~

2000

- Kmol ~

19

Kmo

1

Diaethylbenzeen

·

·

844

Kg

=

_n+

844 Kinol :::.

6

,3

Kmo

1

56

,5

Kmo L,

55,2

molen. , I

33,6

mo Len,

·

11

,2

molen.

·

100

,0

molen.

Nemen we aan, dat er per tij~seenhei~

100

molen wor1en gevoed, dan krijgen we ne volgenne voeningssamenstelling:

Benzeen

Aethylbenzeen Diaethylbenzeen

Totaal

Ook nemen we aan dat het toppro~uct verontreinigd is met

0

,5

mol% aethylbenzeen en

0

,0

mol% àiaethylbenzeen. In het residu zit nog

0

,5

mol% benzeen. Totaal stofbalans : F ::. D + K, i

L

F •

x:r

-

(F - K) , Xli + K •

~

J

benzeen

55,2

==

(100 -

K) .

0,995

+

K.

0

,005

55

,2

==

99

,5

- 0

,99

K

0,99 K

--99,5

-

55

,2

==

44

,

3

K -

44

,75

molen Dus D

=

100 -

K

=

100 - 44

,75

=

55

,25

molen. F - K. benz-een l

~

J

K • rF • x:r ca D • x_d t L-D

=

Benzeenbalans : --i I

~'

~

' - - 1 .

I

- - ->1<.

__

_ _

-=t

• •

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

-2

8-..--- _ ._.- _ -_ . -.----_.. Benzeen Aethylbenze en Diaethylben ze en Totaal

_

..._._- - .. .~ ._.._.,. -_.---- _. _.._0'_-_.".__0___ _ __~.

De stilla at

j

_{Re s i <lu} Voeding '

.

_

-

~... .- - ---. -- - --mol en mol% mo l en mo l% molen mol% -- - - ---- _. ---- - . _{- - -} --~ - -- - -- -- - -54,97 99, 5%

I

0,21 0,5% 55,2 55,2% 0,28 0, 5% 33,32 74,4% 33,6 33,6%

-

0,0% 11,20 25,1% 11,2 11,2% 55,~5 100,0% 44,75 :I100,0% I! 100,0 100

_%

--"- .--- ... .. -._

.

..

..

-..._--- --_

.

.

_---_. • Mol. Gew.:

c

6H 6 := 78

h

(

\

\.~j: C 6H5C2H₅= 106 C₆

I\

(_C2H

₅₎

2 = 134 Rectificerend ged e e l t e : 1e werklijn: Y =

-lL •

x

+

1 • x~. n+l R.,..l n R-+-l u. 2trippend gede e l t e : 2 e werklijn: Y =RD+ qF x _ ~-:;.::K-..._ _ m-rL RD;- qF - K m RD+ qF - K ..~ R=

1

D of q oa

ë

(t -t ) 1"V P s v

-V

W

=

enthalpie damp, welke in voedingsschotel komt. w~= 11 van de voe"ling..

w -:= 11 van rie vloeistof, die van de voedingsschotel komt.

q = is dus quotient va n de hoeveelheid warmte, die aan 1 mol voeding

moet wor~en toegevoegd. om deze over te voeren in verzadigde damp

en de molaire verdampingswarmte.

Cp_ gemiddelde s .w. van voeding aan genomen 0,5 cal/gOC.

ts~ temperatuur op 1e voedings schotel. stel ts~ 110°C.

tv:OO 11 van de voeding, Stel tv'" 20°C.

V = gemirlde1de verdampin gswarmte van de voeding. Stel V- 80 cal/g .

0,5 (110 - 20) + 80 _ 45 4 80 56

q ZI:

80

-

80

=

1, •

Met behulp van de werklijnen en bekende mol. samenstelaingen en een refluxverhouding va~ 3:l)~nnen we nu 1e volgende ver g e l i j k i n gen voor

, '

-29-de werklijnen va n ie~er component opschrijven:

Ie werkli,j n : • Benzeen: y

=

n-tl y_n.,.1 :=

~

• xn

+

3;1 • 0,75 x

+

0, 249. TI 0,995

--L

_{3-tl .}

+

--L

x n

3

+1·

0,75 _xn

+

0,0013. E.B. : D. E. B.: y -n-+l y_nol'1 -= y_nt1 == y ::: n+l ~ 3+1 • x n + 0,75 _xn • 0,005 1

3

-rî

•

0 q = 1,56 D

=

55,25 K - 44,75 ~= 0,005 K RD

+

qF - K •

~

RD + qF Ym+l

=

-

.x RD + qF _ K m Benzeen: Y = } .

~5

,

2~

+

1~6

m.l

3

.

5

,

2 +- 1

6 - 44

,

'15

•

x m -y 1 :::: 1,161 x - 0,161 x.

=

1,161 x IDt m K m 156 - 44,7 5 • 0, 005 D.E .B.: • ~: Y 1

=

1,161 x - 0,161 • 0,744

=

_{1,161 x - 0,12 .} mt m m y_m-1 = 1,161 x_m - 0,161 • 0,251

=

1,161 x_m - 0, 6404 .

Rectificerenti geneelte Strippend ged e e l t e

Benzeen _Y 1=-0,75

x

+

0,249 y _{= 1,161}

_x

-

_0,0008 n+ n m1"1 m E.B . Y_n41

₌

0,75 x_n

+

0,0013 y

=

1,161 x

-

0,12 I m-eL m D.E.B. y

₌

₀

_,75

_x

I

y =.. 1,16 1

x

-

0

,0404

ne-L n m+l m _.'---- -.,~

Voor het berekenen van ~e samenstelling van de damp nemen we aan, daar

onze stoffen chemisch erg op elkaar lijken, dat de Wet van Raoult

r

..

•

• •

- - - ---- - ---- - -

-

-30-laa g is.

•

•

PB = part. spanning van benzeen1amp, 1ie in evenwicht is met een vloeistof, waarin x

B mol% benz een zit bij een temp. T.

PB

=

dampspanning van zuiver benz een bij temp. T.

De veschillen~e partiele spanningen in de ketel zijn als volgt te vin-den: Keteltemperatuur aannemen en de verschilIenne P's van de drie stoffen bij ~eze temp. opzoeken. TIe x-en van deze stoffen in de ketel zijn bekend, zodat ~e

3

part. spanningen te berekenen ziOn.

Wanneer we bij 1 atm. ~estilleren rian moet Z P

=

760

zijn. Indien dit niet het geval is, dan bij een andere temperatuur proberen en weer de

P'$ berekenen. Deze procedure net zo lang doorzetten tot dat~p niet meer dan la

%

verschilt met ~60.

Percentage benzeen in de uit de ketel komen~e damp te berekenen met:

~ • PB

YB ;:"

-L

x

P

Dit berekenen we ook voor ne andere stoffen.

De samenstelling v~n de vloeistof die van ~e boven de ketel liggende schotel komt, berekenen we door ne waarden van Y in de formules van de 2e werklijn te substitueren. Wan n ee r de vloeistofsamenstelling van de boven r'le ketel liggende schotel bekend is, nemen

we

weer een nieuwe temperatuur aan en herhalen bovenstaande procedure, waardoor het aantal schotels beneden r'le voeding berekend kan worden. Bij de

schotel, waarvan (je vloeistof'samenstelling ongeveer met de voedingssa

-menstelling overeenkomt, wordt ne voeding ingevoerd. Bij de verdere berekeningen gaan we over op de formule van de Ie werklijn en continu-eren dit totriat we een schotel vin~_en, waarvan de vloeistofsamenstel-ling ongeveer overeenkomt me~ het destillaat.

In rie tabellen zien ve r'le resultaten van bovenstaande berekeningen.

Volgens de tabellen zijn dus 7 theoretische schotels nodig. Voeding op 4e schotel.

In de pr akt i j k gebruikt men 20 schotels. Oor za ak is da t de schotelefficientie

r--

-

-

)

i , I 't: 1.1r {i. / -f·

/""..!,..{ ~.( \.t ....

•

•

•

-

- -

-

-I

I

p ~ p _~

_-

_x

;' p o=~

Y

:

g

.

,,"

1

-

nt

1

L

~

p

I

i I .. ..

-

~~. 1

I

230

I

8

09,

6

~ te hoog

I

i L

I

₂₀

_0,0244

_0,0217

I 1

714

0,

885

0,86 56

I

_!

.za,

0,0904

0,

'

1127

I , I i 8c)'1

0

,9998

1,0000

, , [

'7

9,

7

( I

730,6

i

27,9

; , ,

8

38

, 2

te hoog

--

-

i

---'-

'-'

-.

...-

-...

.--_

..

.

.o. .. .._ _ ._ -• _ _•• •--~IJ- - -...•....··..- - - ·----\

73,2

0,

100

0,0

87

636,6

0,869

0,8 53

;

2

2

,

8

0,031

0,061

7

32

,6

1,000

1, 0

00

I

...

.

.

-- --- - -! i

26

4

!

0,330

I

0, 2

8

5

i

526

,6

\

0

,657

0, 669

, r : :

_10,7

0,013

0,046

'. \

801,3

i

_1,000

1,000

! ;

78

0,

9

I ,

375,2

te hoog ...._

.

....

_---- - - -_ ...

_--

--

._- ---< i

6

95

,4

I

32

8

,3

te hoog

j

₁

3624

84

4

,4

246,

8

30

34

6

18

1

78

3329

'

736

202

0,087

0,852

0,061

0,021

7

0,

8656

0,1127

135

130

140

. . ' '"

_

..•

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

.

..

-....

_

_

._-_.

..

B. B. B. E.B . E.:B . B.

150

0,005

4595

E.B .

0

,

744

10

94

,

4

D.E .B .

0,251

3

35

-- ._ - ~~- -_..-._. ._.···___ .4 _··__ ~.__ -- - - ---B.

145

0,0

05

4

000

E.B .

0,744

960

D.E .B .

0,251

292

! ---.__.._.-

...

.

_

--B.

125

0,285

27

39

E.B .

0,66

9

55

9

D.E. B.

0,046

153

... ,....'... .. ... .. ..._.. B.

120

0,285

2

444

E.B .

0,669

49

0

D.E.B. I

0,046

ljO D.E.B . D.E .B . D.E.B.

0,0217

I

0,8656

,

I

0, 1127

i

I

I . - .- ._ - . . . -- - - . . . .- • •__• •- - - ._•••_ • •• •- .. . . .. . . . ... o . . .._ . _ _

I

I

1_I , ----~~-~. ._- --- -• •

---~---

-•

• • l

•

• •