Fabrieksschema: Bereiding van aceetaldehyde en aethanol: berekening van een aethanoldestillatie

I -.l

,

I I.

I.,

I . I' - -- - -- - - --

-Fabrieksschema : Bereiding van Aceetaldehyde en Aethanol

Berekening van een aethanoldestillatie

ç lil -'.

~i

J

~

.

:

\ I

I, •

Q

~

c'

~

t

_I

'

t

1 I I I I OOmDING -"-I~1r--}...~ -ACEETALDEHY()[ BEREIDING AETHANOL J.P.GILLET MAMT 1950

A. De bereiding van aceetaldehyde uit acetyleen.

Het proces is gebaseerd op de reactie van acetyleen met methanol

-onder druk, waarbij de vinylmethylaether wordt gevormd, welke aether

/

..-.,. na hydrolyse aceeta1dehyde en methanol levert. De methanol wordt gerecycled.

KOR

CH

30H + CH

=

CH ~CH30.CH

=

CH2•

H

°

CH30.CH

=

_CH2 'n;SO~3CHO + _CH30H.

Per jaar wordt bereid 560 ton aceeta1dehyde.

5604~00

krool.

aceeta1dehyde komt overeen met een gelijk aantal kmol. acetyleen, zodat

er bij een 100% omzetting nodig zijn:

560.000 x 24.0

=

305.500 m3 C

2H2 per jaar ( 20

0

C. , 1 atm. ) 44

Bij een productie van 360 werkdagen van 24 uur gebruikt men 35,4 m

3

C

2H2 per uur (20

0

C., 1 atm.) Bij 16 atm. 200C neemt dit acetyleen een

volume in van 2,2 m3•

De aethervorming vindt plaats in toren I bij 16 atm. en 1600

c

.

Deze toren is gedurende de reactie gevuld met een oplossing van 20 gew.

%

van kal i umhydro xi de in methanol. Uit voorraadtank (5) pompt men met een

proportiepomp (4) met variabele slaglengte en 2 zuig- en 2 perskleppen

continu methanol in toren I.

W-~f~d"~ ~~~

De toren wordt gevoed door een gas-- cirQ~lQtie - pQmp (3) en het

omgezette acetyleen wordt

aangevu1d

ot'

~

~t;:k;;;i:~o:;~~

(2), welke

acetyleen uit voorraadtank (1), gevuld met diatome~enaarde in de toren

brengt onder 16 atm •• De inhoud van de toren wordt verhit met een stoom

-spiraal.

Alvorens bij het aanvangen der productie de apparaten te vullen

met acetyleen, drijft men de lucht uit deze apparaten door ·stikstof rond

te pompen.

Door

de~egmator

(6) wordt de methanol grotendeels tegengehouden.

Uit de toren I en de deflegmator komt per uur 2,2 m

3

vinylmethylaether

zijnde 85,1 kg aether en 15,4 kg methanol.

De aether stroomt na~r de watergekoe~de condensor (7) en naar de

--d~

scheider (8), welke een eleetpioehe vep\vaPffiift~sspiraal bevat. Het

condensaat in deze scheider wordt door zachte verwarming gescheiden van

opgelost gas en het ontwijkende gas, tezamen met de hoofdstroom, gaat naar

'

-I

Het gas verlaat de scheider aan de top en(via een reduceerventiel en)

via de pot (11) komt het meegevoerde acetyleen terug in het circulatie

-systeem. ~~4'~ ~

Het condensaat uit de scheider (10) gaat

~

naar de SCheider)(s,

~

en vervolgens ~ ~ roà't:leeer - veft1;iel naar de ontgassingstoren (12)

bij 6 atm. , alwaar het volledig ontgast wordt. Het bevrijdde gas stroomt

dGor de deflegmator (13) bij 6 atm. naar de compressor

(3)

.

De ruwe aether uit de ontgassingstoren (12) wordt naar de

opslag-tank

(14)

gevoerd, alwaar de aether onder

6

atm. stikstofdruk bewaard wordt.

De vinylmethylaether wordt continu via de rotameter

(15)

en een

reduceerventiel in de hydrolysetoren 11 gevoerd. Deze toren bevat een

0

,

25

%

oplossing van zwavelzuur in water bij

80 - 100

0

C

.

en bij een druk

van

2

,

5

atm. wordt de aether gehydrolyseerd. Uit een vat (16) voegt men

27,6

kg. water per uur toe. De verhitting van de inhoud van toren 11 gesohiedt

met een stoomspiraal.

Per uur voert men een mengsel van

65

.

6

kg. aceetaldehyde ,

62,6

kg.

methanol en water naar de distillatiekolom 111. De verhitting geschiedt

door een reboiler. Op de distillatiekolom bevindt zich een

terugvloei-koeler (~1) en het passerende aceetaldehyde wordt gecondenseerd in de

koler(19) en wordt opgevange~ in een tank

(20)

.

Uit een ketel

(18)

voegt

men aan kolom 111 water toe, dat een kleine hoeveelheid zwavelzuur bevat

om acetalvorming te voorkomen. Per uur verkrijgt men

65

.

6

kg. aceetaldehyde

van

98

%

.

Per uur voert men

62

,

6

kg. methanol en

84.7

kg. water in de

distillatiekolom IV. Van de onderkant van kolom 111 wordt een waterige

methanoloplossing in een distillatiekolom IV gepompt. Door toevoeging

van een kleine hoeveelheid van een verdunde kaliumhydroxyde oplossing

uit tank (21) worden sporen aceetaldehyde verharst en zodoende de methanol

geheel van aceetaldehyde gezuiverd. De kolom IV wordt verhit met een

reboiler.

De afgedistil~rde methanol wordt in de refluxkoeler

(22)

en in de

eindcondensor (23) gekoeld en wordt uit de opslagtank (24) naar de tank (5)

gepompt, alwaar het weer in de reactietoren I gepompt wordt. Onder uit

kolom IV wordt het water verwijderd.

Het verlies aan methanol is

4

%

.

De omzetting van vinylmethylaether

uit acetyleen is 96% van de theorie. Totaal producties

541

ton 98%

aceetaldehyde per jaar.

,

1

•

I •

Materiaal der apparaten en leidingen.

Distillatiekolom 11, de stoomspiraal in deze kolom, die delen der leidingen en meetapparatuur, welke met het verdunde zwavelzuur in oontact komen en het vat (16) zijn gemaakt van roestvrij staal.

Distillatiekolom 111, de p1Jpen en de kap van de bijbe-horende reboiler en het voorraadvat (18) bestaan eveneens uit

roestvrij staal.

De leiding van kolom III naar kolom IV, de distillatie-kolom IV, de pijpen en kap van haar reboiler zijn van roest-vrij staal.

De andere apparaten en leidingen zijn gemaakt van

vloei-staal.

De bereiding van aethylalcohol uit aetheen.

"

I·9.te~

~.

Het fabrieksschema voor deze fabriek is gebaseerd op een productie

van

5000

tOD per jaar. Bij

360

werkdagen per jaar van 24 uur betekent

dit een productie van 580 kg. alcohol 100% per uur.

I

I

Aan aetheen is nodig per uurs

2§Q480 3 ( 0 )

I

•

~

=

12,6 k mol. of 12,6 x 22,4 = 282 m. 0 C., 1 atm.

Bij

80

0 C, en 14,3 atm. is het volume van het aetheen

25,5

m

3

•

~

~

Bij 14 atm. reageert per uur 1,4 mol. aetheen met

1

.

0

mol.

zwavel-/ " zuur 100%. Per uur reageert dus met de

~;~k~~de

-

h~

'

eveel~~~d

"

~~th:en:

12~~~

=

9000

mol. zwavelzuur; dit is

9000

x

98

=

880

kg. zwavelzuur

100%

of

900

kg. zwavelzuur

97

,

5

%. Xet s.g. van zwavelzuur

91

,

5

%

is

1

,

836

,

dus is er nodig per uur

490 1.

zwavelzuur

91,5

%

.

De reactietoren (2) is gevuld met Raschigringen en daartoe moet de

inhoud van de toren

15

%

groter genomen worden: zijnde

30

m3•

Via een meetapparatuur (1) komt het aetheen in toren (2) en via

leiding

(3)

komt het zwavelzuur in het circuit. Door een circulatie

-pomp

(4)

wordt het reactiemengsel door de koeler

(5)

gepompt en een

gedeelte afgevoerd naar de hydrolysator

(1)

via een reduceerventiel

(6)

.

Hierin wordt het zwavelzuur

91,5

%

verdund tot

40%

.

Bij deze

verdunning komt per mol. zwavelzuur

9,5

k cal. vrij. Voor

490

1 is voor

I • de verdunning en hydratatie der alkylsulfaten

1557 1

.

water nodig.

'Î

. /

o

Dit water wordt door de verdunningswarmte opgewarmd van

10

tot

10

C.

Het zwavelzuur komt onderin in de hydrol~sator en wordt reeds in de

aan _"'-' voerpijp door een _~ejecteur _.- met water verdund.

Het mengsel verlaat de hydrolysator bovenaan en wordt in de stripper

(8) van zwavelzuur gescheiden. De verwarming geschiedt door een reboiler.

Boven in de stripper is een laag Raschig - ringen aangebracht om zwavel

-zuur tegen te houden. Het verdunde zwavelsuur wordt onderuit de stripper

afgevoerd naar de regeneratie. Over de top stroomt een mengsel van alcohol -en waterdamp naar de stri~per

(9),

waarin het laatste zwavelzuur met loog

uit tank (10) weggewassen wordt. De afvalloog wordt onderin afgevoerd.

De verhitting geschiedt d.m.v. een reboiler en de damp van alcohol en

water voert men over de top naar de distillatiekolom (11) alwaar een kleine hoeveelheid aether wordt afgedistilleerd over de top.

I •

De aether stroomt via een refluxcondensor

(12)

en eindcondensor

(13)

naar een aftapkraan en ontluchter (14) .

Als bodemproduct pompt men een verdunde waterige aethanol

-oplossing uit de distillatie kolom

(11)

naar de distillatie kolom

(15)

,

welke verhit wordt door een reboiler. De alcoholdamp stroomt door een refluxcondensor

(16)

en een eindcondensor (11) naar de opslagtank

(18)

.

Onder uit de kolom

(15)

voert men water af. De verhitting geschiedt door

een reboiler. Men verkrijgt

96

%

aethanol.

~~~~!~~~~~_~~!_~EE~~~~~~_~~_~~~~~~~~~·

De reactietoren (2), toevoerleiding

(3),

koeler

(5),

reduceerventiel

(6)

en de leiding na.ar de hydrolysator (1) zijn gem8.~Jkt van smeedijzer bevattende:

0,02% C, 0,03%

Mn,

0,12

%

F, 0,15

%

Si

en

0,02%

S

.

De pomp

(4)

is gemaakt van gietijzer met

3,55

%

C.

De Raschigringen in toren (2) zijn van poercelein.

De hydrolysator

(ï),

de pijpen en de kap van de reboiler der hydrolysator, de afvoerpijp Dan de onderkant bestaan uit Cr-Ni-staal (Cr. 1%, Ni

35%)

.

De afvoerleiding van de hydrolysator naar de scrubber en de scrubber en pfjpen en kap van hal'Jr reboiler zijn gem8.ièkt van V2A - staal (18% Cr,

e%

Ni).

I

.

/

/

K.

Bij

De berekening van een alcoholdistillatie volgens de methode van Mc Cabe - Thiele.

deze methode rekent men in mol. percentages. 95 g. alcohol 2.065 g.mol.

5 g. water

=

0,278 g.mol.

---2,343 g.mol.

95 gewichts

%

alcohol is dus 88,6 mol

%

.

F

₌

voeding D

₌

distillatieproduct

W residu R

₌

reflux.

X duidt op het percentage alcohol in de vloeistof.

3

"

"

11

"

"

"

"

damp.

Men voert een 50% alcoholische oplossing bij

70°C.

in de distillatie-'

kolom en men eist een distillaat met een minimaal 88,6 mol.% alcohol en niet meer dan 0,01 mol.

%

alcohol in de afvoer.

Om het verloop der distillatie te kunnen volgen wil men kennen.

A. het minimum aantal schotels, B. de minimale reflux,

C. de q- en de werklijnen en hieruit vindt men het theoretisch aantal schotels.

D. het stoomverbruik.

A. De evenwichtscurve van water - aethylalcohol is in fig.l uitgezet. De beide uiteinden zijn vergroot in fig. 2 en fig.

3.

De lijn X = Y wordt door de evenwichtslijn gesneden bij 89,5 mol.

%

.

Dit komt overeen met 95,57 gewichts

%

alcohol met een kookpunt van

o

78,15 C.

Bij minimale reflux vindt men een oneindig aantal schotels en bij

maximale reflux krijgt men het minimum aantal schotels.

---

Hoe groter

.

de reflux wordt, des te minder schotels heeft men

nodig. Maar dan wordt er meer stoom gebruikt en de distillatiekolom moet dikker worden om bij gelijkblijvende productie een grotere hoeveelheid gecondenseerde alcohol te kunnen bevatten.

Een verschil van 0,1 of 0,01

%

alcohol in de afvoer maakt een verschil van slechts één schotel.

Bij toenemend percentage alcohol stijgt het aantal platen progressief.

/ i j .. I __ .~ 1-:' ~_ ....:.i.:..._ -t. _ . ! I _L .. _; __ ._...,;'O"';"' ... -l-...;I::4-.-.;.l..-4...;:..:.,.;.~~ -t -- _. :"--,'

o

- _ . _ - ' =

-.

~ r -Q 0'

J--

L_

;

J"Z

~-- ;_o-~o-;E:"-r-o'-fT::l

I

\ !

- - -+-- -+---.~--• • 0 0' t !

tJ.r

o

/6 , ... i + ·1 !L;-,-~ =-f.~

__

~ +_ ..

-:~--

... _--

'.~- -'+~'i--

-r ,

ro

- - - _«:'- -'1 '1 t I -4-_ _ ~ ~ __ . ,

-'f

₁ I • .- + ... -• t -~--.. +~t . . I .l~:. t ... . • "1 .,:-;;1 .;

Î

,

\1

c.

,

I

·

'

I,

L

C

Wanneer men een alcoholische oplossing invoert bij kooktemperatuur, dan vinden we de waarden van de minimale reflux en van het maximale rendement uit de raaklijn (a) welke in fig 1 te construeren is aan de evenwichtslijn. Deze waarden zijna R 0,46 en

Xn

=

76,3%.

Aangezien men 88,6% alcohol wil krijgen moet de reflux dus in ieder

geval groter zijn. In fig. 1 vindt men voor punt D de minimale reflux door uit D de raaklijn (b) aan de evenwichtslijn te construeren. Deze raaklijn levert een reflux op van 4.9, welke volgens Kirschbaum geldt

voor een voeding van 1.5 tot 84%. De reflux neemt beneden

2%

sterk toe

en boven 84% snel af.

De warmte - inhoud 53 cal./ en bij 780C

g.

van 5~; alcohol - oplossing bij 7000.

62 cal./ _g.

50 mol. alcohol

=

50 mol. water

=

2300 g.

900 g.

3200 g.

Het gemiddelde mol. gewicht is dus 32.

bedraagt

De moleculaire verdampingswarmte van alcohol en water is 9800 cal./ 1 mo •

Mèn

'Ie de

Men vindt dus voor q

=

9800 + (62 - 53) 32 9800

q

=

1.029. De vergelijking van de q-lijn

Y = ...L.. x i q -1 i 1 x f q - 1 Y_i =

35,1

x i - 17,1

Deze wordt vanuit x

=

y

=

50 geconstrueerd in fig. 4.

Kirschbaum geeft voor dit systeem een refluxverhouding van

neemt aan

9.

De Ie werklijn wordt:

Y R 1 + 1

=

D n R+ I x n + R + 1 x y I

=

0.9 0,0886. n + x + Vanuit x

D

=

YD

=

88,6 wordt deze geconstrueerd. Het punt,

0,3 tot 10.

waarin de

werklijn de q - lijn snijdt, wordt met X

=

Y

=

0,01 verbonden en vormt

w w '

2e werklijn.

1-D.

tl ( ... - - - ...

~

~

.-I I

-L

=-====

Het aantal theoretische schotels vindt men op gelijke wijze als in fig. 1. Op de 5e schotel van beneden komt dus de voeding. We vinden uit fig. 4,5 en 6 een theoretisch aantal schotels : 37 ~ 38.

Kirschbaum geeft een schotel - efficiency variërend van 0,6 tot 0,8 voor dit systeem. Neemt men 0,1 aan, dan is het practisch aantal schotelss

~1 =

22.

0,7

Aan 95

%

alcohol wordt er per uur geleverd 580 kg. Aangezien de refluxverhouding 9 is worden er dus 10 zoveel kg. verdampt, zijnde

5800 kg./uur = 5800 x 23,43 = 136.000 mol.1 _uur.

De verdampingswarmte is 9.8 K cal./mol.

stoom van 1,5 atm. levert 956.8 B.T.U./lb.

=

532 K cal./kg. aan warmte.

De kokende oplossing verbruikt dus voor verdampen: 9.8

- - - - x 136.000 kg/uur stoom. 532

Om de voeding op kooktemperatuur te brengen is er nodig: F

=

100

=

D + W

w

= 43,6 De voeding is dus 100 56,4 FxF=Dx D + Wx

_w

50

=

0,886 D + 0.0001 W. D

=

56,4 x 13.600

=

24.100 mol./ _uur. Aangezien

~

=

1.029 is er dus totaal nodig:

9.8

532

x 136.000 + 24.100 ( 1.029 - 1 )

=

3200 kg stoom/ uur.