Fabrieksvoorontwerp voor een formaldehydefabriek

,

..

.P.o

.

.Ko.

.. \(oop

.\'Y.).c:u:.!::. ... > •• Q.v.) •••••

M

.

..

TA ... k.I..e..~

.

•...

..

adres: Aan 't:

Ve.rlacrt:

_datum:

_o.pri

_I

_{1t;3bg .}

F ABRIEKSVOORO:IT".vl:~RP voor een

M. T. Kleij. P.K.Koopmans.

FOPJ.1ALDEHYDEF ABRIEK •

april 1969.

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

-Inhoudsopgave _blz.

Hoofdstuk I

Samenvatting van de technologische uitvoering van

het proces 1 Kapitaalkosten ₃ Hoofdstuk 11 : Inleiding --- 4 Technische bereidingsmogelijkheden Keuze proces Hoofdstuk 111.

Type proces, produktiehoeveelheid en plaats

6

8

van de fabriek _{--- 11} Hoofdstuk IV:

Beschrijving van het proces --- 12

Hoofdstuk V :

De massa-balans --- 14

Hoofdstuk VI :

De warmte-balans 20

Hoofdstuk VII :

Fysische en chemische aspecten --- 29 Reactie en reactiemechanisme --- 30 Hoo:fdstuk VIII;:

Berekening van de apparatuur

---

32

Regeling: ---.--- 42 Literatuur --- 46

c..I1 1

J \\ ~ ~u,--!> c:. '\. û ~ \-\,0 - ~ ~ b

7

c h~ '-" <\ --=> <-' ti,:" ... M L T C~

f1'

~1

Hoofdstuk I

Samenvatting va~ de technologische uitvoering van het proce8:

Het proce~ omvat de bereiding van 100.000 ton 37

%

for-m8ldehydeoplo~sing per jaar~

Al~ grondstoffen worden hiervoor ~maat methanol en lucht

1-- ~~

,61" -,\,~ , gebruikt. Men pa~t een ondermaat lucht toe omdat er dan naa8t

-,r-<

~J \) <U)".",,\ I '

-~v.û-', ~ oxidatie-reactie~ ook ~-reacties optreden.

ffierdoor krijgt men maar een kleine netto-warmteontwikkeling vergeleken bij het alternatief wat gebruik maakt van een

o~maat lucht.

éNt;~..J-Bij de bereiding van formaldehyde is het noodzakelijk dat men de temperatuur goed kan regelen omdat er ander~ veel neven-reactie~ gaan optreëen.

De aanvoer van de lucht wordt geregeld Vla twee

turbo-com-pre~soren. De verhouding van de hoeveelheid lucht en

metha-I~

~---nol wordt door een regelapparatuur geregeld en wel zodanig dat

- _ - --." 'h,.,<-C;.t' ~

men nooit in het explosiegebied komt te zitten. ~y..""J1r l'

::uI .... /"

Voordat het aldus verkregen mengsel de reactor ingevoerd wordt warmt men het op tot 200oC.

~~~ ~ Men gebruikt voor dit proces een fluïde-bed reactor

"'~,~

~ met al~ katalysator 20

%

zilver op aluminium-~ilicaat. Dit zou borg staan voor een rendement van 95 % bi,) 540oC.

(lit 19 ).

De voornaamste reden voor het gebruik van een fluïde bed

1S dat men op deze manier het optreden van hot spots voor-~~S' komt. De reactor werkt onder geringe overdruk , ongeveer 1 atmo5feer.

Wanneer het mengsel de t" eactor verlaat , moet het zo

snel mogelijk afgekoeld worden van 5400C naar 1100C •

-

~-Dit wordt bereikt door gebruik te maken van twee ga~koeler~.

In de eerste ga~koeler wordt ~toom opgewekt van vier atmosfeer. Het conden~orgedeelte is gescheiden in twee gedeelten;

het eer~te koelt van 1100C naar 70 08 , om het aanwezige

water af te ~cheiden en het tweede van 700C naar 250C om de methanol af te voeren.

De aldus verkregen damp en vloeistof word0n ge~cheiden

~n de absorptiekolom gevoerd.

Hierbij wordt zoveel water toegevoegd dat de uiteindelijke

formaldehyde-oplo~sing,die men verkrijgt , een 37 %

oplo~-sing i~ ..

In

de stripper wordt de recyclo-methanol teruggewonnen. Een kleine hoeveelheid gaat mee met het produkt, hetgeen een zekere stabiligering geeft. De teru~vinning van de metha-nol en het rendement betrokken op de methametha-nol, bepalen ~n

grote mate de ekonomie van het proces, daar methatiol het groot-ste deel van àe kostprijs uitmaakt~

Kapi taalkost,en:

---

-

--Om

tot een verantwoorde echatting te komen van de kosten van de door ons te bouwen fabriek , hebben we de methode gevolgd beschreven in literatuur (7).

-3-Deze methode is n.l. gemakkelijk en ondubbelzinnig toe tepassen

in tegenstelling tot de methode die gebruik maakt van

Unit Operations • Hierbij is het n.l. moeilijk om precies het goede aantal eenheden te kiezen.

DestillatiekO!lom d

-

0,48 m gem

-

_,

---Abs.orptiekolom d gem 2,75 verdamper oppervlak - 35 m2 Gaskoeler 1 : oppervlak - 380 m 2 gaskoeler 2

·

_·

oppervlak: 378 m2 kondensor 1 : oppervlak 34 m2 kondensor 2

_·

·

oppervlak - 20 m2 m

=

1,57 ft

=

9,1 ft 420 ft2 - 4100 ft2

=

4050 ft2 - 365ft2 - 215 ft2 $.6,,8 • 10'" t!'i 5 'ii> 1,5.10

~C!3

,7

• 10" ) $ 2 _')

,

0 104S"

4

(

$ ~1,9. 10 $l 13,5. 10 ~" $/ 2,8.10Js Reactor

+

katalysator 04-kompressoren : H. P. 500 wisselaar 2 $ ,,,.

---

~

$

.

6

•

opslag: 1 dagproduktie - U. S. gallon

3.

104

$

.

7 •

totale kosten : $ 14 • 105 Omgerekend in gulden~ ,waarbij de dollar-koere op

!

3, 60 gesteld wordt levert dit een bedrag op van

!

5.000.000 t

Dit bedrag lijkt ons acceptabel gezien het bedrag wat in

1959 besteed is aan het bouwen van een formaldehydefabriek met een capaciteit van 25 . 106 lb. per Jaar, n.l. $ 250.000 •

-'-i-Hoofdstuk 11

Inleiding:

Formaldehyde werd het eerst gemaakt door de Russische

scheikundige A. M. Butlerov in 1859 bij een niet

succes-volle poging om methyleenglycol te synthetiseren door

hydrolyse van methyleendiacetaat.

Hoewel hij zich niet realiseerde formaldehyde gemaakt te

hebben, waren de physische en chemische eigenschappen die hij

bepaalde van het produkt , correct.

Het was A. W. von Hofmann , die in 1868 als e~rste

for-maldehyde bewust fabriceerde door methanol en lucht

langs een verhitte platina spiraal te leiden.

Het duurde nog tot 1892 voordat Kékulé formaldehyde

-monomeer met redelijke zuiverheid afzonderde.

Enige jaren daarna werd de industrie er door Loew en

Tollens op gewezen , dat de bereiding volgens Hofmann

geschikt is voor produktie op commerciële ,industriële

schaal.

De produktie bleef van beperkte schaal totdat de kunsthRrsen

op fenol-basis werden ontwikkeld ~n 1910 •

Van de aldehyden is formaldehyde de belangrijkste

in de hedendaagse chemische industrie; door zijn

vpelzij-digheid ( het reageert met bijna alle verbindingen , zowel

organische als anorganische ) wor.Jen er steeds wer.r n~euwe

toepassingen gevonden. Het voornaamste verbruik aan

-'5-/

--/----\

: Wc)aI' het hoofdzakelijk gebruikt wordt bij de vervaardiging

)

i

\ van warmte resistente- , in olie oplosbare kunstharsen en

kleefstoffen. /

Hiervoor gebruikt men 1n de V. S. ongeveer 50

%

van de totale produktie; het andere gedeelte wordt gebruikt bij de vervaardiging van textiel , papier, kunstmest, gemengde

liY-

I

Technische bereidingsmogelijkheden.

1 ) Het gecombineerde oxidatie/dehydrogeneringsproces Als katalysator wordt zilver gebruikt in de vorm van netten of als een laag kristallen.

Men werkt boven de bovenste explosiegrens van lucht

1

methanol (38 vol % methanol ) en bij hoge temperatuur ( 600 - 650 oe , • Dit proces verloopt via de volgende reacties:

CH

30H +1/2°2 ~CH20 + H20 - 36,8 kcal.

CH:30H --~ CH₂0

...

_H2 28-,1f kcal

=---

· y;-Ó~

~

Beide reacties worden zo afgesteld. dat de totale warmte-produktie nihil is en de reactor dus adiabatisch werkt. Omzetting 85 - 90

% •

(lit: ~5',15 )

2 ) Het oxidatie/dehydrogenatieproces met toevoeging van stoom.

Men voegt water toe om met een kleinere overmaat methanol te

"~ kunnen werken en toch buiten het explosiegebied van methanol J. ''''''

.,j ~ 1

~' lucht te blijven (figuur:3) D

Dit proces 1S in Duitsland op kleine schaal ln gebruik geweest. ( li t : 1 b ,

:3 ) Het oxidatieproces

Hier wordt methanol met een crote overmaat lucht ( 6,7 - 8 '::~ ~w. CH~Ori) geoxideerd tot formaldehyde met als katalysator een mengsel

van ijzeroxide en molybdeenoxide.

geen rectificatie nodig is •

De temperatuur waarbij gewerkt wordt is 300 - 4000C

De reactriewarmte wordt in stoom omgezet.

De omzetting bedraagt 90 - 93

%

( li t : 3)

4 ) Partiële oxidatie van metha8n en andere

koolwaterstoffen.

Hierbij verlopen de volgende reacties:

CH4 + 1/_{2 02} ~ CH

30H

CH 30H

+

1/_{2 02} ~ _{CH 20} + _H20

Hierbij wordt 98

%

methaangas ( natuurgas ) en lucht ~n

verhou-ding 1 op 3,7 gebruikt.

De reactietemperatuur is 6000

e

Als produkt krijgt men 34

%

formaldehyde met 3

%

metha-nol.

De katalysator voor dit proce~· is 80 % _{Si0 2 / 20} % A1₂ 03 •

Dit proces wordt ~n Roemenië uitgevoerd.

( 1 i t: 15 ,'.l5" ).

5 , Het oxidatieproces met behulp van het fluid bed.

Men werkt boven de bovenste explosiegrens van het

lucht/metha-nol mengsel bij een reactietemperatuur van 450 - 550 0

c •

Als katalysator wordt aluminium- silicant gebruikt en

omzettingen tot 96

%

zijn haalbaar.

De reactor werkt bijna adiabatisch tgv. de oxidatief reductie , .

-8-Keuze Proces.

Bij vergelijking van de processen valt allereerst het proces

werkend volgens partiële oxidatie van koolwaterstoffen af, tgv.de geringe omzetting en de vereiste uitgebreide schei-dings en zuiveringsapparatuur.

We houden nu drie processen over werkend met een vast bed en fluidbedtechniek.

Voordelen van het fluidbed tov. het vast bed voor dit proces:

1 ) Een veel meer uniforrre temperatuur door de goede menging,

I' 11 •

dus geen hot spots , en hlerdoor een konstante katalysator-aktiviteit.

2 ) De tegebruiken deeltjes kunnen kleiner zijn zodat tablette-ren vaak niet noodzakelijk is.

3 ) De warmteoverdracht naar de wand is groter.

?

4) De drukval zal over een gefluïdiseerd bed veel kleiner ZlJn da'1 over een gepakt bed.

De nadelen echter van het fluïde bed t.o.v. een vast bed ZlJn :

1 ) Slijtage van de deeltjes, zodat er stofvangers nodig ZlJn. 2 ) De reactor vertoont een snellere sliitage

3 )

De gassnelheid is meer begrensd.

Een zeer belangrijk feit is het niet optreden van hot spots zo-dat de vorming van bijprodukten beperkt wordt.

Door de goede menging van het flu;~e bed zal het explosiegevaar kleiner zijn temeer daar door de tegebruiken ondermaat zuurstof

-_

IS' 1 I

-

'

-9-veel inert met de lucht in de reactor komt •

. ~

---,

-_.

--~-- ~-- '-.

--~ ~ Bij gebr0ik v~~ overmaat methanol krijgen we een

rectificatie-~~,.J ~

kolom extra, wat weer grotere kosten geeft.

Het fluïde bed proces geeft tgv. de hoge selectiviteit van de katalysator geen mierezuur , methylal, CO en ethyleen. De te gebruiken lucht behoeft voor processen werkend met oxide - katalysatoren niet gezuiverd te worden ter verwij-dering van zwavel en kooldioxide, dit ln te,3enstell ing met

processen die een zilverkatalysator gebruiken.

Het oxidekatalysatorproces gebruikt een veertienvoudige over-maat lucht en zal tengevolge hiervan een groterE apparatuur nodig hebben.

Vergelijking van konversies van methanol in gefluidiseerde en gepakte bedden onder dezel~de omstandigheden geeft volgens je

li teratuur het volgende beeld: ( li t: ?. 8. )

temperatuur lineaire gas- space velocity konversie ,

/ '

oe-

_{snelheid m/sec hr} -1

% 700 0,7 9210 54,7 650 0,69 9550 65,6 600 0,69 \~~(~ :iL'~ t;.l _L--- 10020 67,5 gepakt bed 700 _{0,48 6150 50,3} 650 _{0,37 5150 46,9} 600 _{0,29 4220 47,2} 550 _{0,22 33'30 51 ,6}

-1.0-uit

deze tabel blijkt duidelijk het voordeel van gefluidi-seerde bedden.

Konklusie:

Wij kiezen het fluïde-bed proces , daar het ~e volgende voordelen biedt

/' 1 ) geen hot spots

~~

2

) grote totale konversie . 3 ,} kleiner explosiegevaar

1

we1n1g bijprodukt'en oplevert, die nog eens verwijderd moeten worden •

---

-11-Hoofdstuk 111

Type ~roces, produktiehoeveelheid en pla~ts van de fabriek.

Karakteristiek voor het gekozen proces is de

toe-passing van een fluïde bed-reactor.

Er wordt bijna adiabatisch gewerkt. De voedingsstromen,

methanol en lucht , worden na afzonderlijke verdamping

c.q. verwarmlng gemengd en in de reactor gevoerd om

aldus het explosiegevaar te verkleinen.

De produktiegrootte is gesteld op 180.000 ton

per jaar ( 37

%)

en gezien de voorspelde toename van

het gebruik ( l i t : 12 , grafiek :

1

dergelijke produktie verantwoordo

, lijkt ons een

In 1970 zouden we dan ongeveer 6

%

van het totale gebruik

in Europa leveren.

Het formaldehyde moet in opslagtanks op een

tem-'\ '

~ \ V" 0

\'~,j,lJ ~.( peratuur van 3S C gehouden worden om polymerisatie te

\' \je\

\;ti" voorkomen. .

Daarom lS een plaatsing van de fabriek zo dicht mogelijk

bij de afnemers dringend aan te bevelen. Bij voorkeur

dan ook nog op een plaats waar methanol geproduceerd

wordt.

Daar de fabriek veel koelwater nodig heeft is vestiging

in de buurt van rivieren of zeearmen gewenst.

Gebieden zoals Zuid-Limburg of de Botlek komen dus ln aanmerking.

-~~--- -

-

-1~-Hoofdstuk

IV

Beschrijving van het proces:

De methanol wordtuit de methanolopslagtank naar

de pijpverdamper gepompt, hierin wordt de methanol-vloeistof 1n damp omgezet van 338 oK. Een warmtewisselaar zorgt voor een temperatuurstijging tot de invoertemperatuur

van de compressor, die 4100K 1S. Tengevolge van de compres-Sle stijgt de methanoldamptemperatuur tot 473 0 K , waarop

het de menger binnenkomt. De lucht wordt na zuivering ( S02 - verwijdering) verhit in een warmtewisselaar,

van 2Sg oK tot 370 oK en door compressie op de vereiste temperatuur van 473 oK gebracht.

Het in de reactor komende mengsel bestaat uit 48,5 vol. %

methanol en 51,5

%

lucht.

_.-

-De warmte voor de voorverwarmer,de verdamper en de oververhitte~

van

de methanol wordt geleverd door de reactorkoeling en de

eerste warmtewisselaur na de reactor. Dit alles wordt Vla het centrale stoomleiding-net geregeld.

Het reactiemengsel wordt door middel van een zeefpla2t gelijkmatig over het fluïde bed verdeeld.

De methanol wordt hierin voor het grootste deel omgezet 1n formaldehyde, water, methaan en kooldioxide.

De reactieprodukten worden in respectievelijk een warmtewis-selaar, een gaskoeler en twee kondensors van 8130K

-13-Op deze temperatuur treden ze de absorptiekolom binnen. Er wordt in deze kolom een dermate hoeveelheid water aan het mengsel toegevoegd,dat men een oplossing van 37

%

formaldehyde verkrijgt.

De bijprodukten meth'1an , kooldioxide , stikstof en waterstof' verdwijnen als afgas uit de absorptie-kolom.

Het mengsel van methanol , formaldehyde en water wordt

na verhitten tot de voedingsschoteltemperatuur van de

destil-.-

----latiekolom in deze kolom gepompt.

De methanol wordt hier uit het mengsel afgezonderd en gerecir-culeerd.

De verkregen formaldehyde "Aordt ln een tank opgeslagen bij een temperatuGr van 303 OK.

-

1Lt-Hoofdstuk V Massa-balan~: _,

De produktie van e~n 37

%

oplo~sing van formaldehyde bedraagt 100.000 ton per Jaar.

Dit i~ 1,39 kg formaldehyde per ~ec, berekend voor een

100 % oplossing.

Per pa~s wordt op een omzetting van 69 % ( lit 19) g~rekendt

met een rendement van 93

%

aan formaldehyde. De rest i~

bijprodukt.

De 37 % formaldehyde-oplos~ing moet 1 % methanol bevatten.

Methanol-balan! :

Dez~ werd aan de hand van het volgende schema opg~~teld.

- - - --l

-!.t!-

I

a OE' 2.1,:4 "'-011 ~eJ.r... I u·d:. p"" 51,18

~~sek

I I

I

c::L = 4b, '5 "'" o,oÄ5'3

1

I

tt

I 1 _I 1,18 ""'6IJ.ht.J.c.. I..ucht -- ___ J I toevoer L ____ c:.H"OH toe.voer 1 - ~ _ _ _ _ _ _ _ _

Hierin ~s q: formaldehyde aan de uitgang van de fabriek

=

1,39 kg/sec

=

46,5 Mol (sec.

O,O~S 3

q

+ p de hoeveelheid methanol waar men vanuit moet

gaan bij de ingang van de fabriek in Mol/sec.

a : de recycle in Mol Ieee.

M~n kan nu de volgend~ vergelijkingen opzetten:

0,93 p - q

a

=

0,31

Ca

~ p ~ 0,0253 q ) - 0,0253 q

( 0,0253 q is de hoeveelheid methanol nodig om de

-i5-Oplossing van deze vergelijkingen geeft:

&\

-

-

21 ,2 Mol/sec

p

₌

50,0 I.lol/sec

0,0253q

₌

1 , 18 Mol/sec.

Er worden per pass dus 0,69. 72,33 ::! 50,0 Mol/sec methanol

omgezet, waarvan 0,93 .. 50 • 46,5 r,':ol /sec ln formaldehyde

en 50,0 - 46,5

=

3,5 Mol/sec in bijprodukten.

Luchtbalans:

De hoeveelheid lucht wordt berekend aan de hand van

literatuurgegevens waarbij men uitging van een mengsel van

48,5 vol % methanol en 51,5 vol % lucht.

Op 72,38 Mol/sec methanol is dU5

51,1/48,5

..

72,38 • 76,3 Mol/sec lucht nOdig.

Dit is equivalent aan

0,2005 • 76,8 .15,45 Mol/sec zuurstof.

Uitgaande van de reactievergelijking en een 100 % conversie

van zuurstof kan men dus zeggen dat er

46,5 - ( 2. 15,45 )

=

15,6 Mol/sec formaldehyde

door dehydrogenering gevormd wQrdt.

Voor de snelheidsvergelijkingen van reac ties ( 3) en ( 4 ) kan men schrijven :

=

Volgen~ literatuur ( 19 ) 1~ k3

=

7.10 -2 m1n .-1 -2

=

0,8 • 10 m1n . -1 _•

Met deze gegeven~ komt men op een verhouding van

-

iG-dt _dt

=

4 • Dit is een afgeronde wa~rde , daar het

toch maar om zeer kleine percentages gaat •

De verhouding van de hoeveelheden bijprodukten wordt nu als

volgt:

gevormd en 8/18. 3,5

=

1,56 Mol/sec _{H2 •}

Ten gevolge van de dehydrogenering worden 15,6 Mol/sec H

2

gevormd. De hoeveelheid N

2 die uit de reactor komt i~

76,8 - 15,45

=

61,35 Mol I sec.

De hoeveelheid WQter die meegevoerd wordt door de luchtstroom

wordt a13 volgt berekend:

p H₂0 bij 15

oe -

12,78 mm Hg

dus x H

20 0,017

Er wordt dus 0,017.76,8

=

',30 ~rol/sec meegevoerd.

Voor een overzicht van de ma~sabalans in kg/sec , zie de

-11-Hierin vindt partiële conden~atie plaats van de gasstroom die er in komt.

In de eerste kondesor wordt het water gecondenseerd en ~n de tweede de methanol •

Er wordt hierbij veronderstelt dat een kJndensor uit ~~n

schotel bestant zodat uit grafiek

₉

volgt dat er

1 Mol formaldehyde op de 10 Mol water ~n het gecondenseerde water oplost, dus 3,2 Mol formaldehyde.

Op dezelfde manier wordt er van uitgegaan dat e): in de

tweede kondensor 1 Mol formaldehyde oplost in 10 Mol methanol, due 2,3 Mol formaldehyde.

Deze gecondenseerde vloeistof wordt opgevangen ~n een vat

waar-\ in het gemengd wordt.

Vanhier wordt het naar de absorptiekolom de derde schotel ingevoerd.

Absorptietoren:

verpompt en op

Hierin worden de in water oplosbaregassen geabsorbeerd, de andere worden als afgas uit de toren gevoerd.

Om een 37 % fO.i."'IJlaldehyde oplossing te verkrijgen moet er aan 1390 gram formaldehyde 2390 gram water toegevoerd worden.

De reactiegassen bevatten 575 gram water, dus er moet via de top van de toren nog 1795 gram water toegevoerd worden.

Berekening van de dampspa~ningsverliezen:

---De temperatuur in de toren wordt op 25 oe gehouden om de dampspanningsverliezen zo klein mogelijk te houden en

r/ ~ _____

J~ om te voorkomen dat er te veel gassen oplossen.

~)-t'Ö/ ~

Bij deze

t~;;~;;'t"~ur

mag de

opl

-

o~ba~rheid

_{van CO 2 verwaarloosd}

t, ~

n

~

"I'

-

,).

V

,

r'J

-I;~'

V'

..

({,

~ N !~ ~,.~ ,~iF' ~

worden. PH20 PCH30H

=

-PCH ₂

°

-

18-23 mIn Hg 119 Ir:m Hg 1 mm Hg ( lit 14 )

Voor de berekening van de reële dampspanning van de methanol

in de kolom mogen we Raoult toepassen , daar we met een betrek_

keI ijk verdunde oplossing hebben.

De dampspanning V~î de methanol wordt

119 ~ 22,38

201,38

13,1 mIn Hg

( de totale hoeveelheid molen vloeistof • 201,88 )

De gassen , die als afgas verdwijnen hebben nu nog er-n

gezamenlijke partiëelspanning van

760 - T - 23 ~ 13,1

=

722,9 mm Hg.

Het afgas bestaat uit

cO₂ en methaan •

D~ hoeveelheid 1S 80 Mol in totaal; per Mol een

partiëel-spanning van 9 mm. Hg dus.

De produktverliezen zijn : 23/9 • 18

=

46 gram water, 1/9 • 30 • 3,3 gram formaldehyde en f I ~

r~l

13,1/9 • 32 - 46 gram methanol. ~ 0 ~

--Het verlies aan water moet extra gesuppleerd worden, evenals

het methanolverlies.

In totaal wordt aan de absorber 1795

+

46 - 1841 gram

water toegevoerd.

Het methanol verlies wordt extra toegevoerd aan de ingaande stroom voor de methanol verdamper.

-

1.9-Destillatiekolom

Hier vindt de terugwinning van de methanol nagenoeg

vol-ledig plaats uit het water-formaldehydemengsel. ( grafiek

8 )

Het volume voor de opslag is zo groot genomen dat er een

volled ige dagproduktie kan worden opgeslagen , ongeveer

Hoofdstuk VI

De warmte-balans

Bij de berekening van de warmtebalans wordt uitgegaan van

een basistemperatuur van 15

°c

~n een tijdseenheid van 1 seconde.

De gegevens voor de enthalpieverschillen komen uit de

grafieken 4t/m 6 •

t) Opwarmen, verdampen en oververhitten van de methanol.

De methanol wordt eerst opgewarmd van 15°C naar 65° C

Cp-CH3OH

=

4,39

+

24,274 6 10-3 T - 6,855. 10- 6 T2

T == 15°C _---~ Cp

=

10,84 cal/graad Mol.

T ., 65°C _---~ C _p

₌

11,78 cal/oa Möl.

-

C ₌₌

P 1 1 ,31 cal/ °c Mol.

Voor de opwarming tijdens het opstarten van de fabriek is

nodig : 72,38 • 1',31 . 5 0 . 41,0 kcal/sec == 174,3

KW.

bij stationnaire toestand 52,71 • 11,31 • 50 • 4,19

=

124,4 10.\7.

Verdamper: _{-----_}

...

_-H _{verdamping CH}

=

8,44 kcal/> Mol.

30H

Voor de verdamping van 72,38 Mol methanol 18 dus nodig

72,38 • 8, 44 • 4,19

=

2620 KW.

De recycle heeft een warmteinhoud van 21,2 • ( 65 - 15 ).'1,35.4,19

=

50,3 KW.

Oververhi tter

In de oververhitter wordt de temperatuur verhoogt van

3380K tot 4100 K •

Het enthalpie - verschil 18 0,70 kcal/ Mol. ( grafiek 5.)

Er moet in de oververhitter 72,38 • 4,19. 0,70 _ 212 ~V

-

'21-2 ) Luchtverwarmer: ( per seconde )

Hierin wordt de temperatuur van de lucht tot 3700K opgevoerd.

Uit grafiek: ( ~) volgt:

H 233_ HO o 0 = 3,680 RT_o 370 _ HO I-\:, 0

-

4,75 0,5439 kc~l/Mol dus ~ H :(4,75 - 3,68) • 0,5439

=

0,582 kcal/Mol

Er moet voor de opwarming van de lucht worden toegevoerd:

76,80 • 4,19 • 0,582

=

188,0 KW

Bovendien zit er in deze luchtstroom nog 1,3 Mol water.

Voor de opwarming hiervan is 1 ,3 • 0,25 • 4, 19 - 1,4 KVl nodig.

Totaol moet er aan de luchtverwarmer worden toegevoerd

188,0 '"

1,4

=

189,4 KW •

3) Kompressoren voor methanol en lucht:

~~

In de kompressor wordt de methanol opge"Narmd tot 473_{_---}0 K. /1;</L':4A~" _dLty ~! ~,.

AT

= 0,46 c21 /gram

oe

De hoeveelheid warmte die hier toegevoerd moet worden lS

72 , 38 • 32 .'

° ,

46 • 4, 1 9 . 63 - 278 I0l1

Voor de luchtkompressor wordt op dezelfde manier voor de

4) Warmtebalans over de reactor (per seconde)

I ,

/

,

De ontwikkelde reactiewarmte ~n de reactor:

reactie ( 1 ) _{30,90 • 36,8}

₌

4- 1135,0 kcal/Mol

,

"

( ₂ ) 15,6 _• 22, 1

-

_-

_-

346,0 kcal/Mol

, ,

( ₃ ) 2,3

_·

5,25 - 4- 14,7 kcal/11.01

, ,

( ₄ ) 0,7 _• 17,40 - 4- 12,2 kcal.Mol

Dit betekent een netto warmteproduktie van 3410 I0N

De voelbare warmte van de produktgassen is: 1271,83 kcal/Mol De voelbare warmte van de reactanten ~s:

Door de gassen opgenomen warmte is

=

2740 ~N • ( lit 16 )

Door koeling af te voeren warmte ~s:

3410 - 2740

=

670 KW

620.1 kcal/Mol 651 , 73 kcal/}.~ol

~~ ~~

Deze ~fvoer is nodig om a~batisch t~_kunnaR-werken.

'- ~''--'- ._- - " '. -=-:::::----.

5 ) De gaskoelers ( per seconde )

In de eerste gaskoeler worden de reactiegassen snel afgekoeld van 8130K naar 5030 K.

In de tweede wordt afgekoeld naar j330K.

Berekening van de af te voeren hoeveelheid warmte geschiedt met behulp van lit. 16.

-~---

-').3-gas hoeveelheid H bij 5030K H totaal H bij 3'33OK H totaal

~20 CH 30H CO₂ H2 H2

0

N₂ CH 4

J.n I'ilol/sec in kcal/Mol pr.:r sec. in kcal/Mol per sec.

46,5 4,29 199 3,2 149,0 22,33 5,21 _116,

°

3,8 _85,0 0,97 4,22 4, 1 3, 1 3,2 17 , 16 3,43 60,8 2,65 45,4 32, 1 4,03 129,5 3, 1 99,9 6T,35 - 3,49 214 2,7 166,0 0,97 4,3 4, 1 3, 1 3,2

_

._---

---727,5 551,7

In de eerste wis2elaar wordt

4 t 19 _• (1271,83 - 727,5

,

:;: 2280,6 ~l afgevoerd,

in de tweede 4, 19 • ( _{727,5 - 551 ,7} ) _738,5 I0N afgevoerd.

6 'Kondensors (per seconde )

In de eerste kondens0r wordt het gasmengsel partiëel gecondenseerd tot een temperatuur van 70 0 C bereikt is, in de tweede tot

t t 25

°C.

een empera uur van

Berekening van de in de kondensors af te voeren hoeveelheid warmte: a , Afkoelen van 110°C naar 700C •

H20:

dampkoeling van 110 oe naar 100 oe Cp _ 0,4336 cal/ gram

°c

af te voeren warmte : 10 • 0,4836 • 575 • 10 -3

=

2,75 kcal

condensatie AH - 535 kcal/kg

condensatiewarmte 0,575 • 535

₌

307, 0 kcal

afkoelen van lJO oe naar 70 oe

l!ê.thêTIQl

Cp damp 0,39 cal/ gram

°

C , 715 gram damp , A T ~ 40 0,., '. J •

ar te voere~ warmte 0,39 • 0,715 .40

=

condEnsatiewarmte = 14,8 kcal/Mol , 3 Mol.

af' te voeren warmte 3 • 14.8

-§~~~~:h~f.!_

Cp

=

0,2477 cal/ gram °c , 1720 gram, L\ T:= 40°C

af te voeren hoeve";lheid warmte:

0,2477 • 1720 • 40

₌

waterstof

kooldioxyde en methaan

totaal af te voeren hoeveelheid is 1705 KW 11,2 kcal 45,0 kcal 17,0 kcal 5,5 kcal _~1.2_~~~~ -407 ,0 kcal

Deze hoeveelheid warmte moet dus per sec. afgevoerd worden.

b ) Berekening van de hoeveelheid warmte die per sec in de tweede condensor moet worden afgevoerd.

water :

afkoelen van 70°C naar 25°C.

Cp

=

r cal/gram °c , 575 gram water ,

af te voeren warmte

575 • 10- 3 • 1 • 45

₌

me th a.'l0 1 :

eerst van 70 oe naar 65°C, Cp ~ Ot39 cal/ gram oe 715 gram, Ä T' 50C af te voeren warmte: 715 • 10- 3 • 5 • 0,39

=

--- 25,3 kcal 1 ,3 kca] condensatie bij 65 oe 22,38 Mol methanol condensatiewarmte

=

8,5 kcal/Mol

af te voeren warmte:

22,33 • 3,5

afkoelen van 65 oe naar 25 oe

C pL ~ 0,566 cal/gram

oe

af te voeren warm~e : 191 ,0 kcal -3 715 • 10 .40. 0,566 = --- 16,2 kcal stikstof

af te voeren hoeveelheid warmte :

0,2477 • 1,720 • 45

-waterstof

cooldioxyde en methaan

formaldehyde: 2,3 Mol

af te voeren warmte 2,3 • 14,8

=

totaal af te voeren warmte

4,19 • 297 , 9

=

1245,010N

7)

Absorptietoren 19,1 kcal 9,0 kcal 1,5 kcal 34 0 kcal ---~---297,9 kcal

De enthalpie-inhoud van de inkomende stroom is 407,5 ~N

.~ ,,}-A ''t ~t-< 4-,.l

TengevolgD van de absorptie van ( 46,5 - 3,2 - 2,3 )

=

41,0

Mol formaldehyde komt 41,0. 14,8 • 4,19

=

2540 ~N warmte

vrij.

De warmte die met de afgassen uit de toren verdwijnt wordt

op de volgende. manier berekend:

waterstof: r>

---:---C

₌

3,428 cal/gram oe

,

17 , 16 Mol

~3

10~C'

p

stikstof:

=

0,2477 cal/gram

°c

,

AT 10 0,., _{IJ , 61,35 Mol}

afgevoerde warmte :

61,35 • 28 .0,28 • 0,2477. 10 • 10 -3 - 14,25 kcal methaan:

Cp - 0,5935 cal/ gram

°c ,

0,97 Mol

afgevoerde warmte: 0,97 • 16 • 0,5931 .10 • 10-3

=

0,09 kcal Cp

=

0,2064 cal/gram

°c ,

afgevoerde warmte: 0,97 Mol, AT 6 -3 0,97 • 44 • 0,20 4 • 10 • 10

=

0,09 kcal -methanol 1,53 Mol H 298 - H₂₃₁

=

0,06 kcal/Mol afgevoerde warmte 1,53 .0,06

=

0,09 kcal water 46 gram H298 - H₂₈₈

=

0,06 kcallMol afgevoerde warmte: 46/18 • 0,06

=

0,18 kcal.

Totaal gaat er met de afgassen mee

4,19 • 5,38

=

24,6 KW

°

Met de produktstroom van 25 C

uit, n.l.

gaat 142,2 KW mee de toren

•

3,35 KJ/kg

°c

_t C _{pL CH} 0,566 cal/gram

°c

'

3,760 kg A l'

=

( 10°(;, 3,760 • 3, 35 • 10 - 126,3 KW methaT101 20,85 Mol -3 0,566 • 20,35 • 32 • 10 .10.4,19

=

15,9 KW. Dus totaal l~~~~

__

~N

Het water wat toegevoerd wordt om de juiste formaldehydeconcen-tratie te verkrijgen heeft een enthalpie~nhoud van 77,1 ~N ,

n.l. :

1795 gram water'" 46 gram (tengevolge van afgasverliezen)

=

1,841 k,

Meegevoerde warmte:

Door koeling moet nu dus

(407,5 ... 77,1 ... 2540) M ( 142,2 ... 24,6 )

=

2857,8 KW afgevoerd worden per seconde.

~ De warmtewisselaar voor de destillatiekolom moet

(574,0 - 142,2)

=

431,8 KW aan de produkt-stroom toevoeren. ( per seconde )

De warmteinhoud van de ingaande produktstroom 1.S 574 ~N.

De warmteinhQud va:1 de uitgaande produktstroore bij 3720K 1.8

( _{372 - 288} ) _{• 3,35 • 3,793}

₌

1069 KW

De warmte inhoud van de recyclemethanol van 65 oe 1.s:

21,2 8,44 • 4, 19

...

50 .0,566 • 32

.

22, 1 .4, 1 9 • 10-3

=

?8

-Door verwarming moet er aan de destillatietoren dus

(800,3

+

1069 )

- 574

=

1295,3

~v toegevoerd

worden •

~§E~~~~~~~~~~~E_~~_2~_~~~!~!!~~~~~~E~~_i_E~E_~~~~~2~2_

Hierin wordt de produktstroom afgekoeld tot opslagtemperatuur. Deze bedraagt op ZlJn minst

35°C

•

Er moet dus

(372 - 308 ) •

3,35

• 3,798

=

834,5 KW

afgevoerd

-~9-Hoofdstuk VIll

De methanol die gebruikt wordt bij dit proces moet voldoen 8 ?n

de volgende specificaties:

Het

methanolgehalte , gew.

X

99,1

kooktraject

niet vluchtige bestanddelen zuurgehalte gew.

%

aldehyde en aceton gew. % water wat gebruikt wordt om de

64 , 3 - 64,9 . 0 C

0,0006 gllOO ml

/ 0,003 \( 0,001

juiste concentratie maken

,

mag geen metaalionen bevatten.

te

~";~

. Het produkt moet de volgende specificaties hebben:

formaldehyde gew.% 37 .;.. _37,3 methanol gew %

b

,

"

k.

? zuurgehalte ~0,04 - ~~"-t.. . {I--ûl..-e.<' ~ , l.Jzer ppm ~0,75 \ , koper ppm

,

Z

1 ,0 aluminium ppm t,.3,0 _~

totaal vaste stof ppm ~ 60,0

voor~omen helder

De bovenvermelde waarden ZlJn uit lit. 15 gehaald.

Yf

,t.

P )/

3

,

4 )

Reactie en reactie-mechanis~e

Bij de produktie van formaldehyde met zilver als

katalysator verlopen 1n hoofdzaak de volgende reacties:

-30-CH

30H ---~ CH 20

+

H2 Gakt.

=

26,9 kçal.1 mol

CH

30H

+

1/2 °2 ---;a.. CH 20 4- H20 Gakt. 15,3 kcal.1 mol

G

il

JOH

--.

'1

₂ CH

4

+

1/2C02 4- H2 Gakt.- 12,7 kcal./mol CH20 ---~ 1/₂ GH

4 t 1/2 CO 2 Gakt.-= 13,4 kcal./mol

De warmte effecten van de reacties Z1Jn respectievelijk:

1 ) _b- H₁ --?> 36,8 kcal/ mol exotherm

2

,

_6. H

₂

---7> 22, 1 kcal I mol endotherm

3 )

₆

_H3 ---:;>

5,25

_{kcal / mol exotherm}

4 ) _.6 H

4 ._~ 17,40 kcal I mol exotherm .

Het produkt wordt dus joor een oxidatie-en .~reactie geleverd.

Door Vlodovets wordt het volgende reactie-mechanisme voor-gesteld voor reactie over een zilver-katalysator.

) Ag 4- _°2 --~ Ag (02) 2 ) CH 30H

+

Ag(02) ---~ CH 20

+

H20

"-

Ag 3. , _CH20'

+

Ag(Q2' --.y _{CO 2}

'"

H2 4- Ag 4 ) _H2

+

Ag(02)

--7

H 20

+

Ag

Er wordt dus verondersteld dat alleen de (°2 ) geadsorbeerd wordt.

C)

_,

-31.-wordt gechemisorbc~rd, dit is dus de

snelheids-bepalende stap.

De snelheid van desorbtie van zuurstof is relatief klein ten opzichte van de snelheden van de reacties 1 t/m 4 • De oxidatiereacties zijn onomkeerbaar.

De katalysator die door ons gebruikt wordt bestaat uit

zilver geïmpregneerd op aluminosilicaat.

Zonder zilver katalyseert deze stof de reactie ook al boven de 250 oe

..

Uit de reactievergelijkingen blijkt dat we hier met volg-reacties te doen hebben.

Deze moeten onderdrukt worden omdat ze ongewenste bij pro-dukten leveren.

Dit kan men doen door tijdens de reactie niet boven de

5400 e te komen en door na de reactie het reactiemengsel

-3~-Hoofdstuk 8

1 ) -Verua.mper.

In de verélamper worélt de methanol ve rélarnpt; er is hier gekozen voor een

vertikale pijpveràamper, waarbij de methanol door de buizen gaat en de

stoom om de pijpen heen .

Er is voor de verdamping nodig: 2620,0 k'.'r.

Het benodigde warrntewisselend oppervlak is als volgt te berekenen:

A =

cPw

cP.

=

U.A.A T. W _{V.Á T.} . 0 )

.

U= 1760

w/

m~ C ( lito 13 T = 145 - 65

=

80 0 C.

}

0 65 = 15 à C. t::,.T

=

43

c.

T

=

80 log ~ ,;,;=.

We vinden aldus voor het warmtewisseleno oppervlak A

=

35 ~

De keuze valt op pijpen met een binnendoorsnede van 50 mm, d.w.z. dat deze

een inwendig oppervlak hebben gelijk 0,1570 m2/m. Er zijn dus nodig 35/0,1570=

225 m pijp. Stel lengte pijpen: 1 m , hieruit volgt da~ er 225 pijpen nodig

zijn.

~e nemen de wanddikte van de pijpen 3 mm ~ d

=

56 mmo

ui tw.

Rangschikking van de pijpen in driehoekssteek ; de afstand van de

middel-punten wordt 1,2

x

56

=

67,2

mm}

- . . D

225 pijpen _ m

=

15,70. inw.

=

m x

t

=

15,70 x 67,2

=

1,06 m.

Doordat we bij een verdamper extra ruimte nodig hebben ( dampruimte ) en

deze ruimte ongeveer ~ van het totaal is vinden we :

l T ( ) ' ; l 1

Opp = - 1,06 = 0,891 ; 0,89 + 3" 0,89 = 1,19 ~ )rex) 4

=

1,19, zodat we

4 4

voor de werkelijke diameter vinden D

=

1,23 m.

werk

327 3

We hebben 72,38 l?iI1ol methanol =72,38.22,4 .--0,001 = 1,85

mi

sek. 288

De lineaire gassnelheid in de pijpen wordt dan ; 4,15

mi

sek , hetgeen een aanvaaràbare snelheid is.

Drukval over een pijp 1

=

1 ,0 m. v

=

4,15 m /sek. g

p

= 0, 792 kg

I

m. d

=

50. 10 m • • 6 ~ =-''± 4,92 10 NrrVsek. lito (' v d Re

=

- -

=

33300 - . 4 f

=

0,023 IL. L 1 0 1 ' 1 ' - P

=

4 f - 2' v = 0,023. '2 • D 50. 10 ( 14 ). ~ 0, 792 • (4,15 )

=

3,2

Nim

lo.

-33-r ~~v~or het totaal aantal van 225 pijpen wordt dit : 225 . 3,2

=

720

Nim:

iJ'.~'.

Boven in ae verdamper aient een

~~~er

geplaatst te worden om eventueel

Lf)!

_{D gevormde mist af te scheJ.den. De m3thanol}

.

_{wordt or.der in de verdamper binnen}

gevoerd.

2)- Kompressor.

Voor de luc}: tkompressor is als volgt het aantal benodigde klJ te berekenen.

cp

= 78 • 2885 = 2240 g. m C

=

1000 J

I

kg. P p

₌

QJW) •

~

• AT.

₌

t

.

~

. \')

h~ .... \>"r')~_ Lvol, as ['v-' -\ -vfJ--\.J~ 2,24. 1000 •

@

,..-;;..;)\~<l

- - - = 366 kW' = 366 • 1,3413

=

492 H.P. 0,8 • 0,9 . 0,7

-

34-3.) Reaktor.

Er is bij dit or.twerp gekozen voor een flu1de bed reaktor.

Als katalysator hebben we Al203' Si. 02 met een coating van in totaal 21,7

%

Ag.

~ ..

Volgens lito (14) vinden we een gemiddeld soorteliJK gewicht van de

kataly-sator zender Ag dat gelijk is aan 2,5 kg

/1.

Voor het S. g. van de Ag vinden we

10,5 kg /1. Soortelijk gewi[:ht onze katalysator wordt: .3,1 kg / 1.

Volgens lito (14) is de

Iv

=

0,44 kg / m3, hetgeen t.g.v. overdruk een_~schatte waarde van 0,5 kg / m3 is.

Me: behulp van de minimale fluièisatiesnelheid, v en de uitblaassnelheid, v

mi' max.

is de te gebruiken fluidisatiesnelheid te vinden met een L, D, v grafiek.

f

De te gebruiken formules zijn:

~ v ImX Gegevens en 4 d_{p (P5 - fv)} g I Î'

r

ü

-=

zijn 3

c

P

w g

I

/ I é= 0,6. 2. g

=

9,81 m / sek • -4 d = 6 • 10 In. P ?>

P5

=

.3100 kg / m.

1

'')'

fv

~

0,5 kg

~sm':~

1

= .3,6 • 10 N sek / m~ lit. ( 14 ). /~{ 1.vY .

Door invullen van deze gegevens in de erbovenstaande formules vinden we dat v

=

1,87 m /

mf .~

~~

sek en u

=

v

=

7,5 m / sek.

• J

= .30uo ~ J4q ..

_ -== c1

L ~ ~ L

! .I-!

L-L

Itf-<-)'y ( ,,-,j

?

___ . filJ U~

3

/

~ {,6. c,(.L,<.)1v-. •. -/U!~~V~ ~

'''e kiezen een v _f

=

2 • v ::: _mf

tI

Q

_{'+ lip_}

/

sek. en vinèlen

en een D

=

1,45 m, waaruit een 1 : D

=

~,15 volgt.

-35-uit grafiek ( 7 ) een L::: 3,15

Deze L / D vertlOuding is zeer aannetnelijk daar de . meest gebruikte gelijk 2 is.

Bepaling van grafiek ( 7 ) '" J'_ ~. 6,,,,a i'~o/'· :2'~

( , 0 ~ 2 l, .. r-.J y"" ,.' I

-Uit de reaktor komt 180,24 gmol / sek en bij 540 C geeft

~~f' :3 1 ~ vann m / sek;: 4rtD v •

~

k

lit (29). f

lc;o

,

~

[ L "C = 0,5 = ~ v ~ -f

Deze betrekkingen zijn in grafiek (

7 )

Bepaling grootte reaktor :

6 v=-L ~ f- 5

P

= -;z a.:th-l . I rwJ''r ~.,w;I l-~~:' b 1,'1o'P uitgezet.

Volgens de berekening is vereist L = 3,15 m en D = 1,45 m we nemen voor L = 3,75 en voor D = 1,50 ~

De snelheid boven in de reaktor moet ongeveer gelijk aan 1 m / sek zijn.; we

hebben hiervoor een diameter nodig van 3,9 m. Na reaktie 12,1 m3/ sek en met

4

i.

een vrre.:x.= 1 m / sek geeft dit D =(rr'

12,V2.

= 3,9 m.

De reaktor heeft devolgende maten

4,1'5 W\

- --

-

--~_.

--~--~--,

.

i

J

_ . _

-

-3b-Drukval over àe reaktor :

g . L

=

0,4 • 3100 , 9,31 , 3,15

=

38500 N / m 2

=

0,4 atm. Drukval over gasveràelingsplaat en filters wordt geschat op 0,6 atm,

De totale àrukval is 1 ,0 a~m. ; daar we bi~~enkomen n~t 2 atm zijn we na de reaktiezone weer tot 1 atm.

Boven in de l~aktor brengen we filterkaarsen aan om eventuele katalysa tor-deel tjes af te van,ç-en. De reaktor wordt gemaakt van staal AISI-304.

~)-Eerste ';armtewisseJ_8.ar na oe reaktor'

o

Mengsel wordt afgekoeld van 54) tot 230 C.

Er is hier een stoomproduktie ( la[edruk stoom ).

D

J

A T

=

395 c. 300~C sr _ÄT

=

À _T

=

215 0 c log kl U

=

20 wj m C. A = =380

cp

=

2280,6 kW. w

---.~.- \ t JJ 6-/ i I ' :t m. . (,,' '? /H

\

We nemen pijpen met D

=

12,5 cm) j deze hebben een inwendig oppervlak

inw . ./

van 0,3925 m'2./ m., zoàna+v~~780 / 0,3925

=

970 m pijp nodig hebben. Stel lengte van de pijpen 8 m.; dan nodig 123 pijpen •

.,ç

Rangschikking pijpen driehoekss:eek. Gewalste pijpen met wanddikte van 5 mmo

Voor 123 pijpen is m = 11,25 en de t voor ingewalste pijpen is 1,4 , 135 _.

189 nm. We vinden aldus een D

=

m t

=

2118 rIJn •

inw Door de kons:ruktie krijgen we extra

2 x ~ pijp 2 x afstand tot wand

Totaal geeft dit ee~

wanddikte D

=

2,75 m. uitw. /

=

270 mm. = 300 mm. = 20 1IIJl,

-37-) =1,51 m •

Oppervlak pJ.JPopeninéen : 123 • 1T (0,125

3 4

~

~

}

v

=

7,95 m / sek.

Volume produktstroom : 12,1 mi sek.

Drukval over de warmtewisselaar

L = 8,0 m. ) d =0,12 m. inw.

p

= J ,64 kg / m3• -1 ~ = 285 . 10 N sek / m~. v

=

7, 95 . m / se k g

Re

=

22300 , hieruit volgt grafisch een 4f

=

0,025 lito ( 13 ).

per pijp : - A ?

=

4f L 1 2-"2

p.

v = 32,5 N / m'L.

.-

.

D Totaal 123 • 3'.:',5

=

.:!;. 4000 N / m~ = 0,040 atm.

De pijpen moeten naar aanleiding van de prodûkten gemaakt worden uit

R.V.S. 304.

5) Tweede ".'armtewisselaar na reaktor:

In deze warmtewisselaar wordt 738 kW afgevoera; hierbij worden de gassen

afgekoeld tot 110 0 C. o b T

=

230 - 45 = 185 0 C. !Jr". b. T

=

110· - 15

=

95 0 C. kt

J

D. T = 135

c.

log U

=

15 w / m'L

°c .

Benodigde oppervlak is

364

m~. Neem pijpen me d

inw.

een inwendig oppervlak

=

0,3140 m~/ m.

=

10 c • Deze hebben

Er zijn aldus nodig 1160 m • pijp en met een gekozen pijplengte van 6 m.

geeft dit een benodigd aantal van 194 pijpen.

Konstruktie: wederom èriehoekssteek.

wa~daikte

=

5 mm •

m = 14,21 en t

=

1,4 • 110 = 15l~ I~M..i.

Oppervlak plJPopeningen : 1 ~ • T1. ( 4

Volume st room bij 230 0 C is 7 m3/ sek

Drukval L

=

6,0 m • d = J,1 J m. inw.

p

= 0,70 kg / m). '1 0,10 )

=

1,52

-1-1

= 140

.

10 N sek / m\ v

=

4,6

m

-

/

sek • g -38-~ m.

J

v=4,6m/sek

We vinden met deze gegevens een Re = 22800 , waa.ruit een 4 f

=

0,025 volgt

en een drukval per pijp die gelijk is aan 14,8 N / m 7.. Dit geeft een totale

drukval van 0,029 atm.

6

)

Eerste kondensor na reaktor:

Ar te voeren 1720,0 kW. f::,. T

=

65 0

c

J

0 'Jl" _b.T

₌

₅₇

_c.

ó. T

=

500 C log kA 1 0 U

=

50 W / m C. 2.

Benodigde oppervlak is 610 m • We nemen pijpen van 32 -37 mm ; deze hebben

een inwendig oppervlak van 0,1005 m~/ m ., zodat er 6100 m pijp nodig zijn.

Stel lengte pijpen 6 ~, dan zijn er 1017 pijpen vereist.

t

=

1,4 . 37

=

52 mm m = 33,30 ( voor 1017 pijpen

}

D

=

33,30 _{. 52}

=

_{1732 mm •} inw. Werkelijke diameter : ( uitwendig ) D

=

1732 mm • inw. 2 • "2 1 pl.JP • • =

2 • afstand tot wand

=

wanddikte ₌ Totaal 37 mm • 78 nm • 8mm 1855 nm ~ 185,5 cm.

Volumestroom gassen bij intrede: 5,33 mS/ sek

Oppervlak pijpopenin['en 1017. 0,0805 dml..

Volumestroom gassen einde kondensor : 4,3 m3/

2

Oppervlak pijpopenin[en : 1017 • O,08J5 dm •

Deze snelheden zijn aanvaardbaar.

Nodig aan koelwater voor deze kondensor :

1720,0 - - - = sek ,} v

=

6,0 m / sek. g v

=

5,3 m / sek. g = 1,65 1 / sek 4,19 • C .AT P 4,19 • 1 • 25 = 5,98 m.3 / hr. ~

7) Tweede kondensor na reaktor

Ar te voeren : 1245,0 kW. I::> T

=

70 - 45 'jY 6. T kj

=

25 - 20 =

=

250

e.

]

We kiezen een U = 157 w / mlOe , hetgeen korrekt is volgens lito ( 13 )

-===-

_:l

en vinden dan een vereist warmtewisselend oppervlak van 610 m. De

bereke-ning van deze kondensor loopt analoog aan àie van de vorige.

8 ) Destillatiekolom :

De diameter van de kolom is berekend met behulp van een calculation-sheet

en we vinden een diameter gelijk 480 rmn . Kons:ruktiediameter :~iezen we 50 cm.

Uit grafiek 8 , die opgesteld is met behulp van gegevens uit lito ( 23 ).,

vinden we dat er 14 schotels nodig zijn. "er schotel wordt een hoogte van

45 cm vereist, zodat de hoogte van de kolom wordt 14 • 45

=

630 cm

=

6,3 m.

Extra voor onder- en bovenkant van de kolom on~veer 2 m , zodat de werkelijke

BÄDGER

NV.

===-=--::.:-c:..-

-TOWER DIAMETER CALCULATION

SIGNATURE:. _ _ _ _ _ SHEET NO:_' ____ _

ClIENT: __________________________________________________ ___

EST.

UNIT: _____________________________________________________ ___ . JOB NO: _ _ _ _ _

TRAY NO, TRAY TYPE' DATE·

TOWEf? LOADIIJG:

TOP; NET PROD . .... " .. " ... lB/HR. INO Rx " " ' "'''''''' ' ' ' ' ' ' tD/HR. _{ TOIVAP.=NET PROD+HlD f-:x TOT. ua = IND. Rx

...

{

TOT. VAP.= REB. VAP. _{TOT. LlQ.:NET PROD.+P.Ei.'l.Y.'..,}

BonO/.I: NET PROU .. ... . lB/HR. REBVAP. lBfHrt.

VAPOHS

~.=~~---.

_----r_--.~----,_--r_--~~----,_--~--~----~--~----~~---I-"~ .. ~:~.2l ~~_L_._'__+-_l_8....;../_H_R _ _+_M-V-J -+-I-/;_O_L /_H_R-+T->I c'-. _o_R+R,.,,~C'_P_S_I;.t_~-. v_l'-/H_R_(T .... I C,-)+M_O_L_I_H_R_<_P..., C)I T R = T / T c

f--~,_·!~~f~\._ - - -- - - t - - - + - - - t --"---t---__j---t---t---11 ~---+---~--.+---j---+----+---+---~/

=---t - - - f - - - =---t - - - i - - - i - - - - _ + - - + - - - + - - - j _ .. _ _ _ _ _ ... __ - - - _ + - - - r - - - + _ - - - - t - - - _ + - - - _ + - - - _ _ j

=----_.-t - - - - -.- - -.' --.. ---t--t---r--~-__jf__----__jI__---__1 TOTAl T = .1.85. .... OF °API: ... . = ... ; ... OR SP.GR @ 60°F = ... ..

P = .1.Li ,2.. ... PSIG EXPANSION @ TOF = ... . PSIA SP.GR.@ lOF :

VAPOfl liENSITY • & MW'P =_ ... ~, x ... .

lO.n·T·Z 10.'l2x ... x ... .

ALLO'rVABlE VAP. VEL.:: VMAX

-

.

REQ'O VAP. AREA: AV ₌

.

uaUID OENSITY :: _{el =}

LIQUID DOWNFLOIV ₌ al _• lB/HR x 7.49"

:'°7

QO x 7.49

<2 l 080 )

AllOWABlE DOWNFLOW RATE.

REQ'O DOWN FLOW AREA : AL = -~=---'::-=-"--"---OL' 3?f 0 0

QMAX ~o.ooo

MIN. TOWER DIAMETER = 1.129J Av+ 2Al :: 1.129 J U.,OS.). 2(Q.,~.a)

ACT. TOWER DIAMETER

TRAY f F

z

= SPACItlG= ... IN. MAX. = .... ~ . USED = " ,"~~"

~1().y/1A)" ~;::;J

& ••• a,.,..6..lS/FT3 lil •• 3!-1 RO. GPH •• tJ) .• D.QOGPH/F~ 2

.

•.

~

..

p.,~4

....

FT 2 + .1Q .. O' •. S.F. :: ( 0, ~8=:J

n

2 •.. 1.~.5.2, ... " FT USE .. _~. :1.~.bo .... FT !-i8o ... I':'IM

NOTE: ENGINEERS OWN EXPERIENCE IN CHOICE Of • F· SHOtJLO AlWAYS

---

-,

BE COIISIOERED E!:FORE "Al" IS INCLUCED IN MINIMUM DIAMETER CALCULATION"

I ~

~---;---~~~~~~---

~-BN -Ut S JUL:&5 ·.· .. ,...·' T :~··~ ... r:··.;·- ... -.·.-!~ .~ ... ~~_.::-.~.~ .... _ .. ,.~.

i

,'._-... -

..

..

9) Absorptietoren:

We beschouwen ten behoeve van de berekening van de toren dat de oplossing bestaat uit de sleutelkomponenten water en formaldehyde. In werkelijkheid

zi t er nog ongeveer 10 jt ootrlanol in. Dit is de reden dat we de temperatuur op 25(\C mogen nemen. lito (10).

Het aantal benodigde schotels is grafisch bepaald. Op de assen van oe grafiek

zijn de mol.koncentraties 'in oplossing ( X ) uitgezet tegen de dampspanning s-verhouding van fonnaldehyde en wa'cer ( Y ). De waarden ter bepaling hiervan komen uit lito (10).

( T

=

25 0

c ).

Tabel ter bepa:!.ing van X en Y •

x 1-x X y 1-y Y

0,066 0,934 0,071 0,0013 0,9987 0,0014

0,143 0,857 0,165 0, 001 3 0,9987 0,0014

0,253 0,747 0,339 0,0013 0,9987 0,0014

0,390 0,610 0,635 0,0013 0,9987 0,0014

Gerekend hierbij is volgens lito (10) met de gewichtspercentages formaldehyde van 10, 20, 30 en 40

%

,

die overeenkomen met 6,65, 14,3 25,3 en 39,0 mol. percentages. Er is steeds gerekend met een p

=

1 mmo

y Berekening: Boven in de kolom Onder in. de kolom 298 3 gas ui tSO. 22,4 • - -=1 ,96 m 273 vloeistof in 1.,795 1. water. 298 3 gas in 123 • 22,4 . --=3,00 m • 273 vloeistof uit 1,904 + 0,556 + 0,705

=

3,165 kg.

Boven 3 Gas: 5 • 0

=

1960 dm o = .392 dm'2... Vloeistof; v • 0

=

V ? 1 • 0 = 1, 79 . 0

=

1 , 74 dm •

o

=

.392 + 1 , 74 + 10 %

=

t 4.30 dm~. tot. D

=

2340 mm ;: 2,34 m • Onder ~ Gas: 5 • 0

=

3000 dm •

o

= 600 dm '2... Vloeistof: -41-1 • 0 = .3,165 o

=

.3,165 dm • '1 o

=

tot. ~ 660 dm • D

=

2900 mm

=

2,9 m •

Uit de grafiek volgt dat er 6 schotels nodig zijn. De beide kondensors gelden

ieûer als een schotel, zodat in de kolom 4 schotels. De 08kondenseerde

vloei-e

stof wordt op de.3 schotel van onderen ingevoerd. De schotels worden gekoeld

om absorptie'T.'armte af te voeren. Stel per schotel ongeveer 1 m hoogte, dan

-4~-Regelinc

De reactor l S L;ebaseerd op :;Jroefo:1dervindelijke gegeve:1s

uit de lit eratuur.

Dit ~s de reden waaro~ we geen mengsel met een adiabatische samenstelling hebben genomen.

Er is uitsluitend een hoog rendexent nagestreefd, waarbij het nodig bleek om bij statio:laire toest and 670 kilowatt af te

voe-ren.i.:en k[U1 schommelingen rO::J.d de stationaire toestand o;wangen door of de capaciteit van de wisselaar te vnrieren, dus door op die manier ~eer of ~inder warmte af te voeren, of door de sam

en-stelling van de ingaande stroom gas te veranderen.

Dij stationaire toestand is de samenstelli::J.g bepaald o:;J ~1,5 ~

lucht en op 4'3,5 % methanol, respect ievelijk x en (1-x). Bij deze samenstelling zit men ruim buiten het explosiegebied, n.l. 3'3

%

methanol.

De volgende berekening beoogt het verband weer te geven tussen x en de ter:';peratuur in de reactor. _ Ui t de warmtebalans volgt dat voor de opwarminc ven de r~actanten van 200o~ naar 540o~ een hoeveelheid warmte van 651,73 Kcal nodig is.

Voor de gerr.iddelde

War

Jl

teca

p

a

c

iteit

~

;oer graad

~elsiu.

vindt men dan :

651,73 340 =. 1,97 Kcal.

De waru;tecapacit€it van de k,9.talysator wordt geschat op o:1ge-veer 1,16 Kcal per graad per sec.

aflo pend is ( K - 10 1 1 ) en ongeveer 60 à 70 % van de opbrengst aan formaldehyde levert , voor iedere gram-molecuul zuurstof wat er min1er in de inga~nde gasstroom

zit 36,8 Kcal. minder warmteproduktie kunnen rekenen. Dit geeft een temperatuurdaling van

36,8: ( 1,16

-t

1,97)

De temperatuur kan men dus regelen dmv de samenstelling van de inga.'mde gasstroom.

Men kan ook met behulp van de warmtewisselaar temperatuur -variaties aanbrengen.

De koppeling van de t wee compressoren dient zodanig te zijn dat de methanolconcentratie nooit onder de 38

%

kan dalen, daar men dan in het explosie gebied terecht zou komen.

Om dit t e bereiken kan men in de luchtleiding een pneumatische afsluiter inbo~wen ,die dicht gaat als de b6vengenoemde kop-peling foutief werkt of als men om de een of andere reden

in

het explosiegebied terecht zou komen.

Bovendien moet er dan een alarmschel gaan of iets dergelijks zodat het bedieningspersoneel meteen kan zien dat er een ernstige fout gemaakt wordt.

Regelapparatuur

Er is een keuze mogelijk tussen een proportionele re-gelaar ( p ) , een integrerende regelaar (

r ) ,

een

differen-ti~rende regela~r ( D ) of een kombinatie van deze drie. De keuze valt op e€n P I D -regelaar.

Een proportionele regelaar alleen geeft eeri off-set

die moet worden weggewerkt door de integrerende actie omdat deze voor UJ -.0 een amplitudeversterking gee~t , die

theo-rethisch naar oneindig gaat.

De integrerende actie geeft een negatieve fasedraaiing die de ~tabiliteit in gevaar kan brengen ( oscillatie).

Door de differentiërende actie echter, die een positieve fasedraaiing geeft, is dit geva2r te verhelpen.

Voorzichtig instellen van de differentiërende is geboden daar deze nogal fel reageert b.v. ook op rU~8.

Het ingangssignaal van de regelaar ( x ) geeft een uitgangs -signaal (

y ) ,

weergegeven door :

Kp

=

versterkingsfactor

o

Lb

=

differentiatie-tijd instelbare grootheden

~~

-

integratietijd

l

₌

tijd

De T~ligt tussen 0 en 1000 minuten en de L_D tussen 0 en 200

minuten. Bij ons proces moeten we op de reactietemperatuur regelen, volgens nevenstaande regelkring.

l

Corrigeïend _{x y} Opnemer

019 0an _{Proc.es (lem pero tu} lW_ I

-(reg el klep) voeler)

r-

- - -

---,

I _I

I

-

₁

I Reg e.lo rsaan

•

'" MeetorgQQt1

I

. + ~

I

I

I

_{+ set} oint I

I

P

Literatuur. e

1) Beilstein, I Erg. Bd., Berlin , 1927 •

2) Catalysis, Vol lIl, P.H.Ermnett, Reinhold, New York, 1960. 3) Chem. Eng., nov. 1954 , maart 1959 en febr. 1959.

4) Chem. Eng. , J.l,~.Coulson en J.F.Richarc1son, ?ergamon Press, London, 1968. 5) Chem. Eng. Practice , H. 0'.'. Cremer en S.B.o'.'atkins, Vol 8 , ButteIVlorths,

London

,

1965.

6) Chem. Eng. Progr., 59 . (2) 70, 1963. 7) Chem. Eng. Progr. , sept. 1967.

8) Chem. Reaktorkunde M 32, 1966.

e

9) Encyclopedia of Chem. Techn.,Kirk-OthIrer, 2 editie, Vol 10, WUey, 1966. e

10) Formaldehyde, J.F.Walker, 3 editie, Reinhold, New Yorlc, 1964.

11) Fund. of Cost Eng. in Chem. Ind. , H.C.Bauman, Reinhold, New York, 1964. 12) Future European Chem. Grm~th Pattern, R.Rickles, N.D.C., 1966.

13) Fysische Transportverschijnselen I , H.Kraners, 1961. e

14) Hanc1book of Chemistry , N.A.Lange, 3 editie, Lc Graw HilI, New York, 1967. 15) Ind. Eng! Chem., 44 (7) 150 8-18 ,1952.

16) J. Applied. Chem.,-1-(5) 206-13 , 1953.

17) J. Phys. Chem. U.S.S.R., I.N.Vlodavets en S.Ya.Pshezhetskii, ~ blz. 612 e.v., 1051 •

18i J. Soc. Org. Sjrnth.Japan., S.Yamauchi,.!.ê. (8j592 en 602.} (9 652

(12 888

1960.

19) Kinetika i Kataliz, I.P.Planovskaya e.a., Vol 2,

(3

:

.408-417, 1961. 20) Oil, paint anà drug reporter, april 1962.

21) Russ. J. ofPhys. Chem., :).M.Stadnik e.a., Vol 35, (7), 7J1-7J4, 1961.

!\~

_{. \} . .

:;~

_{J-' '-}.. \

\~ , " I I

, '. j

22', Stagewise Process Design, E.J.Henley e.a., "filey, !'Tew York, 1963.

23) The Phisico-Chemical Constants of binary systems in concentrated solutions,

J. Timmermans, New York, 1960.

24) Unit ~;rocesses in Crganic Synthesis, bl z. 518 en 519. e

25) Ullmann, 3 Auflage, 1 956. 26) V.D.I. Wärmeatlas , 1953.

e

27) Vorschriften unà Regeln der Technik f~r Drückgefässe , 2 Auflage, blz. 231,

Halle , 1 951 •

28) Zhurnal Prikladnoi Khimii , I.P.Mukhlenov e.a., Vol 37 (4) 705-710,1964.

29) 7.hurnal Prikladnoi Khimii , A.I.Vivitskii e.a., Vol 37 (5) 9B4--988, 1964.

5"00

400

~oo

-ge..schat verbruik 100% Cl-\~O

Voor

Vest:_

EW1opSL.

;1.00 phehO fkso 100 I f -Q c.etols. 80 60

- -____________

-=-=-_______

~Q.nt:cerLtrL!::c I 0 t..to heXa h'\ d::h~112.Y\

~-:::

::~

______ ---_=====

_ferc\!ltz.er

~~t~Mjn~o

0

==============================~Mt~c~lIa

hQ.OU s.

pro~u-kl:;~ 0-0..-", rorrna.(de~'jcle

~ ;"1'\ ~ U SA.

I uc.h-l:.

I

uc..hL

5,D

IJ ,0 'lp lip

kcal

jWlol

t

'3,0

8,0

_9

raJtek :

5.

- - + - 0 K . .J.()

~,o

r

kcal /

mo\.

b,D (,0 J,o 'ót?o 1000

- - -

-1,j

t

LC..,) ~1---1.- - - ~---- - ~.,74 1

->'7» (""")

1,0 t - - - " , . 0,9 0,& o,fa 0,5 o,.!> 0,2. O,II!t 0,1 Xç 0,2-E -BN ' U 202 sep. '66 0,:; _0.'-1 o,s- 0,6

i4,

o,B

I

I

,

I

I

I

qY.O 0,30

,.

0,0 o)~~ O,C> 0,10

0" ..

0 O,~() o,Lto 0,50 o,bo

~

X

era...r

teK

" 0

90