behorende
. \ I. Samenvatting 11. Inleiding HTHOUD. 111. 1.Type proces 2.Produktie-hoeveelheid 3.Plaats der fabriek
IV. Beschr~ving van het proces V. I .Massabalans
,~. tIarmtebalans
VI. Fysische en Chemische Asnekten VII. Berekening van de ~ppar~tuur
J.Hydroxylaminedisulfonaatreaktor 2.Hydrolysereaktor ~.darrntewisscla .rs ,4. Pompen
5
.
C0 2- a bsorber VIII.Literatuur overzicht Bijlagen.1. Evenwich ts- en werkI~in HADSA.-reaktor
2. Gr~fische berekening van het aantal transpor t-eenheden van de :-J:ADSA-reak tor.
'\
'.,
\ ' " \ ' .. , ) . '"
\'
.
bldz. 1 23
3 4 45
7
9
15
21 2129
33
1\ \ ~I \ i ,.
'---~ - -
-<)
-1-1. SAME~N ATTnTG
Sen hydroxy1aminesu1faat-op1ossing wordt bereid door een ammonium-carbonaat houdende ammoniumnitriet-oplossing b~ lage temperatuur in kontakt te brengen met zwaveldioxide houdend roostgas in een ge-pa~te kolom en vèrvolgens het ontstane produ1:t - anmoniunhydroxyl
-o
aminedisulfonaat - b~ een temper~tuur van 120 C volledig te hydro-1yseren.
'. \
" " , ,
-I
I
,
II
II
II
I
Ir
•
-2-II. INLEIDING. Hydroxylamine (NH20H) is nauw vcrwan t ann ammoniak, het v·:rtoont vele van de basis-ei gensch.J.p·'en van l.:!1r.lOniak. Het vindt nauwelijks technische toepassing op grond van zijn instabiliteit: he~ ontleèdt
gemak1~elijk in N
2, NH
3
,
H20 en HN02 bi jvoorbeeld in tegenwoo rdig-heid van basen ofl:1\i
verwarmen; b~i sterkere verhitting kan deze omzetting tot een explosie l eiden.Hydroxylamine wordt daarom technisch toegepast in de vorm van zijn zouten, waarvan het sulfant (NH
3
0::n2so
4 en het chlo.ride (NH3
0HC1)de voornaamste zijn.
Hydroxylaminesulfaat is een vaste stof m~t een sMeltpunt (optle -ding) Van 1700C (lit.1.). Lit.('..) geeft voor de o~üosbaarheid van het zout in water bij 250~: 6~,7 sew.% ; l i t.(2) geeft een oplosbaar-heid van 41,3 gew.% in vlé:1ter bij 20oC. Hydroxylaminesulfaat moet worden behandeld als een ~i ftig-e stof: aanraking met de huid of slijrn -vliezen moet worden vermede~.
~1aterige oplossintren van hydroxylaminesulfaat werken doorg.aans als sterke reduktieMiddelen; ze z~n zeer geschikt om aldehyden en keto~en
. te oximeren, de belangri-p{ste toepassing (meer dan 100 '1iljoen lb. per jaar) is hierop gebaseerd: de omzetting van cyclohexano~ tot cyclohexanonoxim, dat na een Bec!:~annomleg~ing met behulp van gecon-centreerd zwavelzuur cnprolactam geeft, de grondstof voor nylon
6
.
Als zodanig heeft hydroxylaminesulfaat een grote industri~le bete -kenis, het is dan ook niet verwonderli:ik dat zjjn bereidinG onder-werp van vele oktrooien is.Hydroxylaminesulfa~t of hydroxylamine in situ daaruit verkregen, wordt verder toegepast in de foto~rafische industrie, als reduktie-middel voor diverse metAalio~en en als terminator in polymerisatie -processen (o.a. b~ de synthese van hutadieen-styreen copolymeer). Hydroxylaminesulfant wordt tegenwoordig nog grotendeels bereid
,
volgens de principes van het aloude Raschig ~rocédé (lit.3). In de loop der jaren zijn aan dit proces tnlr(ike wijzigin[1'en aangebrncht, waardoor de oorspronkel~k tameli~ onbevredigende opbrengsten
aan-zienlijk konden Horden verhoogd.
Andere ~echnische bereidin'"smogel'.ikheden zijn: de zLtUrspli tsing van nitroalkanen b~ lOO-l50oC (lit.4), elektrolyse van een mengsel van salpeterzuur en zwavelzuur aan geam~lseerde loodkatho1en in diafrag-macellen (lit.5) en kRtalytische hydrogenatie van stikstofoxide in verdund zwavelzuur (lit.6).
I
I
II
I
I-3-Î
II
1. 1. -:'YPEPooe ss .
Eydroxylaminesulfaat wordt bereid volgens een verbeterd Hasc~ig procédé, waarb~j een g.ekoelde kringloopoplossing van a mmoniumhy-droxylaminedisulfonaat waaraan ammoniumcarbonaat-houdende ammo -niumnitrietoplossing wordt toegevoegd, over een gepa~te kolom wordt gevoerd, waarin S02 houdend roostgas in tegenstroom met ge -noemde oplossing wordt geleid. Er vo~mt zich nieuw disulfonaat
volgens:
2IHl
4N02 + (NH4)2 C0 3 + 4302 + 2H20 ---+ 2EOl'i(':'>03:
m
1t)2 ~i-: :V'ArIl/Vz ~ /11111./ IIso.j f Sv ... . _) Ht";, S: )NIi "ijL •+ ;L,:;07
j
Een gedeelte van de hydroxylaminedisulfon,:wtoplossing, overeen
-komend met de hoeveelheid toegevoegde uit~angsoplossing (G~~oni
umc:3.rbonaat + ammoniumnitriet), .,ord t aan de kr~nf!::"oon ont trokken
en gehydrolyseerd bi'; een temperatuur V:3.n 12008:
2HON(S03lTH h)2 + 4II20 ~ (W1
30H)2S01+ + CJH4)2.J04 + 2:JF4~IS04 (:'...it.~.O) . w,.A-~ ... ~.A ~~ I rt_/M:.'o( j~
I
')-v)n~ ~ r-.:1~
.
De gevormde hydroxylaminesulfaatoplossing knn direkt gebruil:t wordec
voor de oximering van cyclohexanon.
2. PIWDUE'I'IE-qO.sVE~LH;:::TD.
Het proces levert hydrox~·laminesulf:1.at (HAtllSA) voor het 'pr:)c~s v:m
Birkenfeld dat cycl ohcxA.non omzet tot cycl ohexo.:lOnoxim en daarbi.~ 0,321 k~. cyclohex~nonoxim per sec . ?roduceert. Het proces van Ji r-kenfeld heeft een rendement van 10~~ zo2at vol~ens:
0,5 l':oL hydroxylaminesulfaat nadi r-; is voor 1 iiol. cyc l ohexanonoxio. De produktiehoeveelheid moet ~us worden:
o
113,
321 .x
"-
Cl":',
.,
x 1 ~.Jr:
4
=
0
,2
33
kg. }LI:,3;l/
scç.1)'0
veIL:.;
r-
'
~ ~JJ~ttv\~Jl- ~
I . . '1.
').M,wv
A-'!Yn,cU' _-4-~
'\"M.I'M~
11;\'C~-
t.,
neer op: 8400 x 0,233 x 3600 x 10-3 = 7050 ton/j élar .3
.
PI.:l.è\TS DER FAT3?IEK.~ n y~lI\/lu.. ;
De ~laats der fabriek wordt voornn.mel:jk bepnnlcl door de aanwezie;heiJ
van nevenindustrie, die de grondstoffen voor het hydroxyl~linesu:
faatproces (roostgns, ammoniumnitriet, amno~iumcar~o~ant) alsmede
rrondstoffen voor de overige stnppec uit de totale (cnprolactam)
syn-these levert. Wat betreft energicvoorzie~ing en exp1osie~evn~r hoe-ven [een ~pecinle voorzie~ingen [etroffen te worden, uit~ezonderd Wan:lcer men opslag van vast ammoniu~nitriet heeft; dit ex~~odeert ge -makkelijk bij verwnrming en moet dus met Grote zorp: o::1rin;;d Horden. Gebruikt men een ar.1mo ni u:-:1ni trieto:Jlossing n:Ls grondstof dan is !lCt
explosiegevaar niet groot. Ammon.Li:r:1nydro;,:ylnm'::":h:disulfolw.at en hy -droxylnminesulfaa t z~:n staoiel.
DJ. BESC
::IRr
JVI1r G V AN HET PROC SS .k
lJi.·.{I
~
1,
533
::p:. 'ban een oplossinG (ter.19· 1,3°C) d.iePfF
0, ~{)v (',1 1'0
NH
4NO 2 ,
O,l~ kg (:ffi4)2CO
3
en een weinig (0,J016 kg)SO~
c bevat, wordtper seconde toe~evoegd aan een oplossing (temp. _~ ,50C) bestaande uit
;')/1 ~~ //,o/~ kg. water 0,::'50 kg
20,136 kg ammot!-umhydroxylaminedisu::'fonaat (HADSA) , 2,751 kg '!2C03 ' 0,073 kg S02 en 36, ~,90 kg H
20. De tot,'1a1oplossing ('temn. _l ,l,oC) wordt gekoeld met behulp van freon 12 waardoor de temper~tuur op _lf,OOC wordt gebracht, en vervolgens boven in een met 1 inch Raschig rinren gepakte kolom gevoerd. Onder in deze kolom wordt per sek. 1,376 kC
mengsel (temp. 2l,5°C) met een gehalte aan S02 van 14 mol%
t ./
roos gas- :7~r IA
geleid; het é -.I!n,,J.
lA"""':'",
inerte gedeelte van dit roost(l'asmeng-sel ver:Laa t de kolom aan de top. "'-~t'!Au-, 2d/.i-:let S02 wordt geabsorbeerd en reareert met î\E4~:02 en (~~l:4) 2C03 onder • vor'r.in~ Vi:1.n nieuw (0,644 kg) HADSA. Door de bij de di.su::'fonering
vrij-komende warmte stijgt de temperatuur van de oplossing tot -1,50C. Van
de uitgaande oplossing wordt het grootste 'gedeelte (S9,350 kg) teru~
-gevoerd naar de gepalde kolom; 1,807 1:[':" bestaande uit O,~!flf Jq::; HADSA, 0,088 kg H2C0
3, 0,002 kg S02 en 1,163 kg H20 wordt aan de kringloop onttro~\ken en in warmtewisseling r::cbracht met de u'::" tgaél.nde vloeistof -stroom van het hydrolysevat, waardoor de te~peratuur op 7~,7°C wordt gebracht. In een tweede warmtewisselaar met kondenserende stoom als
o
verwarmingsmiddel kr~gt de onlossing een tc~pcr~tuur van 93,3 C,
waar-na het in het hydrolysev2t 'dordt .Fevoerd wao.r het ~e'lurende 1,5 uur
op l200C wordt gehouden. De hiervoor benodi~~e war~te wordt door de
-5-·'.ydrolysereaktie zelf geleverd. CO
2 ('~, 063 kg) en een weinig S02 (0,002 kg)
die vrijkomen tijdens de hydrolyse Horden teruggewonnen door absorptie
in een oplossing (temp. OOe) d~e per kg woter 0,147 kG NH
4N02 en
0
,
03
9
kgNH
3
bev:lt, waé'.rdoor de ::unmoniumc '"\rbonai3t-houdende ammo -niumnitrietoulossing wordt verkregen.Uit het hydrolysev~t stroomt per sek. 1, ~32
kg
oplossing die O,~33 kghydro.·'yl.. aml·nesulfaat (lr..,",.)", ,,"'~' ) , (' ~ ,"Z27 / 1 cg (\ " L : .... 4)uSO .1 4' 0 , 1J 0
8
.g k (!',.:'\" 42° 4 ) "0 en 1,084 kg H20 bev~t. Ila bovenge~oemde warmtewisse:ing kan dezeop-lossing met een temper~tuur "an 40,OoC direkt naar de oximreaktor gevoerd worden.
V. 1. ~lASS ABALAl'JS.
)
Er moet \'lorden gemankt: 0,233 kg H:\.;'1SA/sek. = 1,42 mol. HM1Sh./s<:k. Volgens de hydrolysev~rge1jking:
2HON( s03NHJ+)2 + 4H2O ~ :~~30:l)2S04 + ? '.n' ~-l~O +
Cm
l ) ') 3° 4 ~"~:4' ~ 4 t '- . mol : 2,84 c:; ~Q ...,
... ...; :",42 2,31+ 1,42 kg: 0,644 0,104 0,215 0,327O
,
lgS
Volgens de reaktiever~el'~king van de disulfonering:
2NH
4N02 +
(
~n:{ 4 ) 2 C 0 3 + 4S02 + 2::2°
mol: 2,84 1,42
C::
,
h8
2, ~4 1,42kg: 0,182 0, J. 36 0,364 0,050 0,644
0
,0
88
(j 1/
8t,
i}/IJL.
)n.vI
<J. "'-
~ 4-n'Y111 . (;I ~. •Als gunstige koncentratie van nitriet in de ui tç:'hnn:soplossing vlOrdt op
-gegeven: 10-20 gew.% (lit.9). Nemen w~ 15%, dan kr~gen we aan water voor
de nitrietoplossing: toegevoegd: OJ i8.t
//
.tIJ
/-,j'1.) _li"' /$ tv ~/,/c7ij
Iv/-Iy/vt;t-De massa ~ie ~er sek.
ti' 0,2.36 }~g v' 1,213 kg ", DI /)" 1-X kg /' ( / ~ (.... \ "0 .' ::4) 2 v )3
::..,0
L-S02 .-~ /:j .' / /J~ Iv sekondeRan de 1::ring1oop wor:lt onttrokken bestaat uit: 0,644 kg :IADSA 0,0>38 ,~ 0-r· o h2C0 3 1.163 kp: ::2° x kg 3°2
-6-Veor een volledige disulfonering moet er in de kringloop een overmaat
aan S02 van 2 -
6
gram/liter aanwezig zljn (lit.9). Nemen we 2 gram/liter en d~ verhouding kringloopvolume : volume toegevoegde nitrietoplossing als 30 : 1 (li t .11), dan zal, wanneer we deze gegevens betrekken op het~tal lh~~~s ~~, de kringloopoplossing bestaan uit:
0 36,390 kg H20 ~ , /
,~~'
1,213 x 30 x 2 x "0- 3 - 0,0"13 kg 302 -'--
t,.f • . /tï'
./
36.3g0 x 0,644 20,136 kg HADSA = v 1,163 36,390 x 0,088=
2,771 kg H 2C03 11 1,163Voor x vinden we dan: 0,002 kg 302' De uitgangsoplossing van de disul-foneringsreaktor best~at dus uit: 7
~ t) I"~ ;p " i. J. '"1 1<-I '" . 36,390 + 1,]63
=
37,553 kg H 20 20,136 + 0,644=
20,7Ro kg HADSA 2,751 + 0.oB8=
2,B39 kg H 2C03 0,073 + 0,002=
0,07~ kg S026,
,'2. 117
Onder in de ç:'epakte kolom wordt 0,364 kg 302/sek. in de vorm van 14 mol% roostgas geleid; dat betekent dus aan lucht (inert):
86 x 0,364 x 29 14 x 64
=
1.012 kg lucht/sek.-t>L /
In verband met de schadelijkheid van 302 n,=men we het percentage hieraan in het afgas: 0,01 mol.%, het~een betekent dat 0,0002 kg 30
2/sek. de top van de kolom verlaat tesamen met het inerte gedeelte van het roostgas
-:':lengsel.
Beschouwen we het hydrolysevat: tijdens de hydrolyse komen per sek. vrlj
Dit wordt onder in de absorptietoren gevoerd, boven in stroomt per sek.:
0,182 kg r;H
4N02
0,048 kg '!ITH l~ 3
1,238 k$ H
20
De uitgangsoplossing van de absorptietoren is de (NH4)2C03-hoadende NH
4N02-oplossing die in de kringloop wordt gevoerd.
Tenslotte stroomt uit het hydrolysevat per sek. 1,832 kg produktoplossing (0,233 kg HAMSA, 0,327 kg (NH
- 7
-Het nulniveau van de enthalpieën stellen we op oae.
Beschouwen we eerst de warmteba1;oms over de dJ-.sulfoneringsreakto!. w~
~~g~~~~~~~~~~~~~: , R.
~I
Roostgas. temperatuurverhoging van Tengevolge van de 1,5kompressie 0S, laat het kr~gt ~n de kowpressor komen met het roostgasmengsel een20°C, dan wordt de temperatuur na konpressie : 21, 5°e. j';e t cp (S02)
=
0,152 kcal/kg.oe en cp(lucht) = 0,2L,2 kcal/kG.oe (lit.12)vertegen-woordigt het roost~asmengsel dan een warr.'ltestroom van:
I ., " ,
(0,152.0,364 + 0,::'!,2.~ , ;::..::).21,5.4,19 = 27 k':1. b. ~bsorptiewarrnte 802'
L
Voor de vormi:1.p,'swarmte van .30
2(g3.s) vinden we -71 kcal/mol., voor die
van S02(in E
20): -80 kcal/mol. (litl;·). Aan absorptiewarr.1te kri,jgen
,
we dan: ï,.,.,{~CL
5,~8
.
9
•
4,19=
214 kW. c. leaktiewarmte.~egens het ontbreken van thermodynamische gegevens van HADSA kunnen we de reaktiewarrnte niet berekenen. ~el is ~ekend (lit.o.~.~, 9,10) dat de disulfonering een vr~ sterke exotherme reaktie is: de reaktiewarrnte schatten we op 25 kcal/mol. waardoor ltr!:i kri,~gen:
2,84 g 25 • 4,19
=
293 kW. d. Kringloopoplossing.Voor een goed verloop van de reaktie is het noodzakel.(;1c dat de .tempe -ratuur niet boven oOe st~gt. Koelen we de krin~looyop:os5ing voor het ~innengaan in de toren tot -4 oe, dan bl~jkt daara~m ruim voldaan te wor -den. 'de schatten de cp van de oplossing op 3,5 kJ/kg.oC en kri,ic;en dan een warmtestroom van:
-353
kW.nIS
a.Voor het inerte gedeelte van het roostgas dat de kolom verlaat schatten o
we de temperatuur op
°
C, dus H=
0 kW. b.Voor de uitgaande oplossing geldt nu:(27 + 214 + 298 -
S53)
=3
,5 .
T • Gl,247-
8-Een gedeelte van de uit de kolom stromende ovlossing wordt ,,.:. ~:': ~~ in warmte
-wisseling gebracht met de uitgaande, stroom van het hydrolysevat. ve
warmtewisseling wordt zo geregeld dat de uitgaande produktstroom een
temperatuur kr~gt waarbij oximering kan plaatsvinden: de HANSA-oplossing
wordt gekoeld van 1200C tot 40oC. B~p'evolG wordt de temperatuur van de
HADSA-oplossing:
(1,S97 •
-l,S
+ 1,~32 • 120) .3
,
5
=
(1,SQ7
.
T
+ 1,332 • 40) . 3,5-10 + 768 = 1,~97 •
3,5
•
T + 256T
=
75,7°e.De over te dragen warmte wordt dus: 512 kW.
De HADSA-oplossing wordt vervolgens in warmte1.-Jisseling gebracht :net stoom,'
de temperatuur die de oplossing daardoor verkr~gt wordt zo gekozen dat de
bt
de hydrolyse vr~{omende warmte voldo~nde is .om een temperatuur van 1200e in het hydrolysev~t te bewer~stelligcn.Beschouwen we de warmtebalans over het hydrolysevat.
!~~~~~~~-~!~~~~~:
n.. IIAD.3A-oplossing :':1e t tempera t 'lUr T.
b. Reaktiewarmte.
De hydr81ysereaktie is exot::'crm ~lCt een rcal-:ticwarr~te van 13 kcal/mol.
(lit.14). Aan rc~~tièwarmte gan.t er dus in:
2
,
34
.
13
.
4,19 = 155 k~.~~!~~2~~~_~~~~~~~'
a. ;'{l'J·iSA-oplo.ssing met een temperatuur van 120oC:
1, '33-2 • 120 • ",5 = 763 k;:1.
(0,063 • 0,200 + 0,0)2 • ~',152) . 4,1'1 . 120
=
7
kV!.Voor de temperatuur van de ingaande oplossing vinden we:
(763 +
7)
=
155 + (1,?97 • ~t5.
T) ( ) 7 ~o,...T = '7-,,;J v .
De warmtebalansen over de CO2-nbsorptietoren en over de l:oelers kunnen
gemakkelijk worden doorgerekend: voor de oplossini'en is steeds een cp van
3
,
5
kJl{~. oe aanf7~no;!;en.\
,
,
.
"'-
9
-VI. FYSISC:i2
.sr:
C:i':':::ISC!-iS A.sI">t:KT:::J.B~ de bereiding van ~ydroxyla~inesulf~at volgens de gevolgde ~ethode
spelen zich de vol~G~de r eakties af :
1.1i sulfonering: vornin~ van hydroxy13minedisulfonant volgens:
2.hyclrolyse 'v'Rn i1mmoniumh~,'.~rox:vla:l;inedisulfonant tot hydroxylamlne
-sulfnnt:
nd.l Jisulfonerin~sr~nktie.
;let verloop V3.1: de disulfon8rinf),"srcr1J:tie Hordt sterk beir:vloed door de
tem~eratuur en de zuur~rnnd. De invloed vnn de zuur~raad op de r eaktie
-snelheid is groot: bij ee:, p:1/'7 verloopt de re3.lctie zeer langzaam, bij
pH
<
5
i s de re,qktie sne::'. In het tus::;e:üi<,:'-ende ;'ebied verloont der -
-re<:t':tie met ",oed :-:1cetbnrc sne='i,'::"_~, ::inotisc:1C ond'2r:.:oe~'.:ingen z~:n cl".n ook :;"n di t "e~Jied v'2r!'ic~,t (lit.17) .
. ) "
.,.8.sc Llg
on ts tnan, die v c evo::' C;C:!'lS :.lC t ~':; ,'lV ,.-; ld~o:xir, e :iJclroxylöminedisu: fo naa t ,,-even:
+ (:10;,
.;:,u
,~o
_
) 2-Deze theorie meende h~ te ondcr~teunen door i solerir:g v~n dihydroxyl
-nmincsulfor:aten, die l'lter (lit.1?) echter dubbelzouten van nitrieten
Ook het fei t d~t b~ reakti~ van nitriet en bisulfiet zonder inleiden
van .:302 de r(~a~dic slec:-:ts tot !+O/ verloo~)t:
"i:'.. niet zer,gen dat de rè"kti e zou ver::'oncn met vr:.:e :::olekulen .s0? in
o~ lossing, moar worrlt vc!"oor::,étkt door de st\~ginp:' ve,n clc pH :,1et het
vt'rloop v;:-.n de r')aktie (bij c .,~ -jc" 2--:::1: pH '?'n vJa::rdoor de or:l
-h IC 7 v\.._;
zettinrr zeer ~:l.y:~zaél:-:: è;or~: . T,,:'c:i.:len -","n SO~ doet de re3.'~ti~ verder
c
--::"0-' r
lopen (7,ulrtoC'lOer). O"derzo::1:ingen :":1 net [;ctied
5
<
p:-i<
7 leiden tot het volfr,ende re:1'~ticmech,,!üsmc (li t .l ')) ;-,+ F30
-
3
,,+ + :iO:~C .. + , J U , ) c. ! 0 l.rr c :1 \: tic: s : u::')o~~ .. + + ,-0 "',-0 ... ..,) '~, 0::'::;0 -0' ('0 ) - -i: ~ j .::J .' ~) ,; r_ d ~ I ' t v = C-1,Y'( 'IJ ) : : - ; ' i 1 V~'".J"-'-:.
?::0t
~--:oec1e verlooj' v,~-;. cle di.s:;lf:>ner::'ni,:sreaktie ;wn cl.'1,nzienlj,i1-::: ,'loruenbelem~erd JOOl' de volrende nCVC:1- en vo1rreu~ties (:~~ . ~~,lS,lq) :
--, :{O:, (:30 'L) ') ",' [ -'" + 2":0 .. f ' :- + 2!-i,,,O )
Jeze r(~3.1:tie vi!1dt [JJ_l~:;cn ~·18.'- ts .in st:2'rl\: 31J:alische oplossingen (en dan
~. ~!ydrolyse v,n ~~droxylum::'ncclisulfonuut tot hyJrcxy]a~ine~onos~lfonaot : ..,
-;, .. ( '()' \ '.- - -- 0 "'-'--""0
"l._, -J ~), + "_')' ~ .:v_.:'..) L,
;; - e . ' " ./
!'et monosuJ.fon',ot is :'>.iet inert ti~:: OD~=-C;lt: v-J.n de rcn~~t:mtcn, !1Ct re
-ageert zowel met 302 u:s ~et nitriet ~ct 213 ~evol~ oobrenstver~indering omdat encrz~"ds het monosulfonaat 'dordt o:,:o:czet en il.n(12r:::~,~ds reaktanten worien wcrrenomcn (lit.?O) . Je ~O:i tic vi~dt nla~ts in zu~e en neutrale
o-,~2ossi.n,rren
,
l i t o ,21) ree:-t voor ,J . ..;o:~lzcttinG
na 30 min. bi,' 250.:;;r:, I ~ ,..,1
-ll ...
Het laaghouden van de ter!1peratuur (beneàen oOe) is nooJzakelijk wil ::1en
deze voortijdige ~ydrolyse vermjc~der:.
c. Vormin~ van nitridotrisulfonnnt v01~cns:
Tot nu toe z~n er ~een kwantit2ticve studies omtrent deze r0R~tie vcr
-schenen, uit voorschriften er: oktrooi en kan men opmaken dat deze vol~
-reaktie zich lant teru~dringen door een lage te~per?tuur.
d. Omzetting van disulfoné'..nt door sn.::'pct·2ri'~ zuur:
en ook:
HO q(, "' c0 'O )
3
2 -~ + "1'0 "., 2 ~?:.r~o
+ -,,~ 4
+ H,O
Deze oxidatiereakties verlopen - zoals de meeste rea]:ties van sal?eterig
zuur - slec~ts in sterl: ~ure op}osGin~en sne] , bovendien zullen lnge
temperaturen deze reaktie t~ru~drin~en .
Jovenstnande beschouwing mnoJ.:t duideL,;k dat e~rJ. üOf,ere temperatuur
opbrengstverminderin~ tot gevolg heeft . Volgens lit. ~19) is dit als
volgt te verklaren: de tenpcr~tuu~scoeffici~~t van de disulfonaatvorming
-reaktie is abnormanl. laag, tSr'·:"l de VOl o:ren':tics een normale te:rlpe
-ratuurscoeffici~nt hebben.
30
hogere temnernti:ren kunnen de~e rcaktieshebben; een p:oede temper:1tuurocheersing is dus ui ter::;3te belant;:,:.,K.
~e dis~lfoneringsre~ktic is in het rebruikt0 nq-~ebicd «5) snel;
we~ens het ontbreken v~n thcrmodynamische ~egcvens van het disulfonaat
kan over de ligring v~n het evenwicht nict~ kwpntitatiefs worden gezeGd,
wel geeft de literatuur 8:1n d2t dit geheel aan de kant van het disul
-fonant ligt (lit. ,) . :;Je re1.]~ti':'.;:l.::~:··t", ;';'[1.n du:, ook niet \10rien berekend,
wel is bekend dEI:' de rOé3ktic VI" ster:", e:wther:n is. (joerle \'T<,r:.teafvoer
is dus zeer belangr~"k cr, lîct is di.1,",rOr'l d3t ':IC de r ~,,~:tie :;us~)en nitriet
en zwaveldioxide laten ~!a~tsv~nJer: in do nnnwe~i~h8id van een rrotc
overnaat ::,WS .. \: de anders zo heftir,e reo.kLic vlordt cn~:::s7,ins ai.',-ercmd,
-lZ
-.\
'.'
\
.
' \.. ' \. '\
,
\.'.
'
reaktie kunnen gekoncentreerde uitgangsoplossi~en
.
worden gebruikt, we\ '.
krijgen dan eveneens gekonc entreerde produl<:toplossingen l'
\ \ \
B1j de oudere vJerkwijzen w-:ar
SOZ
in een oplossing vetn ni'itiet (+bisulf:Let) werd geleid (zonder overmant E;~3A-oplossing) kr:jgen He B~j gebruik van, gekoncentreerde uitgangsoplossingen een onvoldoende warmteafvoer èn daar -door plctatsel.i..ike temperatuurst~jp::ing~n met als gevolg verminderde op-brengst . Voor goede waroteafvoer moeten zeer verdunde uitcangsoplossingen worden gebruikt, deze geven ui t,eraard ook zeer verdunde produktoj:>lossingen. Zuurgraad en temperatuur z~n dus van grote invloed op reaktiesnelheid
en ·opbrengst. B~ een temperatuur van de kringloopoplossing di~ beneden oOe ligt (in de gevolgde h'er~-:i'Jtze : tussen
-4
en _1,1+ oe) en een zodanigeSOZ
toevoer dat.in de kringloopoplossing een overmactt aan zHaveldioxide van Z -6
gr./liter (in de gevolgde werkwjjze: Z gr./liter) aanwe'zig is, zal de omzettinp, tot disulfonaat zonder vorminG van nevenprodukten ver-lopen en volledig z~n (lit.9).Beschouwen we het p~-verloop gedurende het proces. De zuurgraad van de'uit de kol,
.
om komende oplossing zal voorné1meLj.."k. v!orden bepaald door de aan-wezige
SOZ
.
3xakt kan de pH niet Horden berekend wegens het ontbreken van gegevens over de dissociatiekonstanten van hydroxylaminedisulfonzuur. Houden we alleen rekening met:dan kan de pH worden revonden ~it:
K • c - K. C ~T 0+
=
~! ?;
2
;;et ccO,03 en K=~ ,7 . lO vinden wc voor de
,H
ongev~erZ
.
Aan deze oplossinG wordt de nitrietonlossing met een pH van 8,5 toegevoegd. Experimenten (lit.9) leren dat onder Je ~ekozen kondities zich tierbij een pH-waarde instelt van
4
-
6,
hetg;een hoogstw,').arsch~inl~jk veroorzaakt wordt door reaktie van nitriet met de reeds in de kriup:loopoplossing nan\vezigeSOZ
'
daarbij stUgt immers de p!! vol~enG lit.(15). De eveneens ctanwezigeCO
Z heeft bij deze st~~ing een re~ulerende werkinr (lit.8) .Door het inleiden van
SOZ
zal depH
in de toren weer dnlen tot eer. eind-waarde van ongeveer Z.Door deze pH-regeling i-cr:jgen we een zeer f,oed rcaktieverloop (hogere pH in het begin, vermijding van nevenreClkties; lae;cre p] nan riet eind voor volledige oDzettinp;) (lit.3).
a. NH4.N02 in oplossing met' een koncentratie van
15
gew.%. Technisch ammonium-nitriet bevat altijd w~t nitraat, dit komt met het eindprodukt (HANSA) mee maar stoort niet b~ de oximvormin~.b. (~H4)2C03' Deze reaktant wordt gekozen in plaats van het in vroegere pro -cessen veel toegepaste bisulfiet. Ammoniumcarbonaat wordt toegevoegd in equivalentie met de toegevo~gde nitriet.
c. S02 We gebruiken roostgas met een S02-pcrcentage van
14
mol.%. Voordelenten opzichte van zuiver
3°
2: pla.::..t::;elijke zuurgraadverhogingen wordenver-meden en het is goedkoper.
ad.2.Hydrolvsereaktie.
---~---De hydrolyse van hydroxylaminedisulfonaat verloopt i n twee trappen. In de
eerste trap vi~dt afsplitGin~ van de eerste sulfonzure groep plaats onder vorming van het monosulfonaat:
In de tweede trap ~ormt zich hydroxylaminesulfa~t door afsplitsing van de tweede sulfonzure groep:
Zowel hydroxyl~minemonosulfonaat als tydroxyla~inesulfaat rea~eren met
cyclohexanon onder vor~inG van cyclohc~unonoxim; b~ g0bruik v.::.n eerst -fenoemde is de rcrtJ:tic eC:1 te:~ Lu:e;z[1nm en sterl~' exot:'~crm, in het tweede
.
•
:.
•
.
r-
,\
geval is de reiUdie sneller en ::Ij,nder exothern. (:;'it.22) .\ ~~,'\c.iJ.\.-'(.,\-'\~~)
'.
De kinetiek en het mechanisme van d0 eerste trap z~n uit~ebreid onde
r-zocht Clit.2l) . De eerst2 trap is een relatief snelle, zuurcekat~lyseer
de reaktie; de ontledingssnelheid i3 hoger naarnate de reaktie voort-schrijd t, H+ wordt ::'mmers r:evorrnd:
':rO"TC
'
~O
) 2- " 0:. h '->
3
2 + , 2De reQ.ktie vind t re·.~ds bij :.knmer tempera tuur met meet cO.re snelheid
pla'::lts. Voor de reaktiesnelheid in zure o:Jlossingen wordt cevoaden:
H
20 katalyseert de reaktie eveneens, maar in veel mindere mate dan zuur,
•
Het hydroxylaminemonosulfonaat-ion is relatief stabiel en hydrolyseert
niet in verdunde zuuroplossingen behalve bij hogere temperaturen; de tweede trap is langzaam en eveneens zuurgekatalyseerdj hierbij wordt
, t lJ+ d
ecn cr geen ~ gevorm':
\ \
en:
I,
Een mèchanisme voor de tweede trap \vord t niet gegeven.
De totnle hydrolyse is p;een snelle reaktie; voor een redelijke realdic-tijd zijn hoge temperaturen en zure ot;lossincen ( hieraan is voldaan, pH van de oplos.'3ing ongeveer ?) no~dzal<::elijk. 1i t. (10) geeft een hydro-lysetijd van
6
uur bij l05°C met97
~ hydrolyse of van1
,
5
uur bij 1200a
en verhoogde druk m··t 100%
hydiolyse.De hydrolyse is een exotherme
reaktie
en kan als een autotherm proces worden uit~cvoerd door de bij de reaktie vrijkomende war~te te gebruiken, t ,.:J " 1 d l ' (1'
t
( l ,. '.voor ne voor~ar8en v~n ~e Olnnen~omen e op oS31ng. 1 .\~~; .
De warmtewisGeling t~s~en in en u~t~aande vloeistofstroom moet dan zodanig
. ' d
t
c l ' d tt
t " , t C)/,O -95
0C (b';J' ZlJn a e lng-a:1n e s room een amper:, '.lur ,~rlJg' van ...
deze temperatu~r wordt de hydrolyse op gang ~ebracht). bij de gevolgde
werkwijze wordt een niet zo volledige Harrntewissclinp; toecepast: de
temperatuur Van de produktoulossing zou te la lg worden vOGr een goed ver-loop van de oximerin7, zodat vcr~ar~ing van de produl:toplossing na de warmtewisseling noodzakel:,"k zou zi.in.
:3ij de gevolgde werkw;~ze is de w::"r!':'lteVlisseJ.ing tussen in- en ui t[';aande
sL'or.len zo ,r;eregeld d;;.t de produ~~to.810ssing daarbij een voor de oximering
optimale temperatuur krjGt (40°C), wel !':'loet dan extra warmte (met behulp
van stoom) [>,,'1n de in~a::-,nde oplossinr: Horcien toeGevoerd, ·vlao.rna de vrij-komende reaktiewarmte er voor zorgt dat de temperatuur in het hydrolyse -vat op 120
0C gehandhaafd bl~ft.
Ook de reaktiewarr.1tc V'ln de hydrolysereaktie kan niet exakt \"orden bere-kend (geen thermodyna.mische r:e:"evens bekend van het disulfonaat), met behuln van Q'eP:'evens v.qn lit.(JIc) l':'::1.n \':e1 ce:: ""oede bcnaderinr gevonden worden: we vinden
13
kc':üjmoJ..- - - -- - -
-I'
-
15
-1. :-!ydroxylaminedisulfonaa trea:;:tor.
Gezien de grootte van de gasbelastin" (900 liter/sc~ . 0 en van de vloeistof
-belasting (i~O Jiter/s'2!~. ) , rebruiken I'!C voor deze r .!aktor een absorptie
-toren Véln ::et ty?e r:epn}:te ~olo',:, :ctet als pakl\.inp; 1 inc:-, E<asc:üg ringen.
~.Jiameter van de kolo~.
Je dioJ,leter V:ln de kolom r.1oet ;èO worden ·"'e;~ozc:l dat het loading-point be
-50 ~ bcdra,gt vnn die w~arbt flood~np optreedt en wel b~rel;:end op de kon
-dities o~der in de kolom. ?oor de berekening Rebr~iken wa de ~rafick van
lit.(24). ,
- - - . .
... GlP6
( -G",PL
c Gl=
vloeistofbelustingpG
= dichtheid roostg~s: 7..\
~ ~' = C',
-: _ . ..,. I g~ . ê .pc,.
fL
w-:.arin:r-(:,2 4
7
\ , 1 Cj I - ,. I !:l
,
:7G
I:
,
5
= 1(.1- :'-'GiS
=
gasbelasting in lb./hr.sqi't."':
IO~
a = spacific:;: oP"gervJ.',], v:,n de T)ar~kin3':
viscosi::cit v"n de vlo\"isto: in C') . : ~I ·e -- , ~ - rJ • • _ 1,\-Q, .P• ~. J • -_ . ... v /lb~ ... J.. • :1,.... • • _ .1..,,.... ~ ...... •
=
l , }!-og.=
1, ') r;r ;/1 . ~ .' 2. 'l.."
,
'
I ,,/JO'
'''
5~ voor 1 inch 2aschi~ (lit~
= poros:'..tci t van de pakking:
0
,
73
(lit.25)dichtheitl roost~8S:
0
,
0936
lb./euft.Voor de gnsbelastin~ vi~lcn wc d,n: = !~66 lb/hr.s1ft
' )
= c,G3~ k~/sc~.m~
- - -
-..
•
-
16
-3
=
massast~oom/b~l~st~n~=
Voor de diameter v~~ de koJ.o~ vi~dcn we dan: ~_~_~L~§_~'
?!~~~5!Z_~~~_~~_~~!~=~~~~~~~'
:Je h~bben hier t e ~~~en met ~bsorpt~c pcvolgd door een snelJ.e chemische rc!"'::tic. I:: ~lCt .1.1p.;cmcc:1 z"ll cr '8ij nÏJ::JOrptic vrm I";:)S in vloeistof een
gAsfasc- en een vloeistoffasc-~1e~rst~nd o~treden. Je n~sorptic van 802
in l:'1tcr \;or::t \·er~c:',e]d door eO:1 hyd~olys·2re::1.}:tic die voor;:-:estcld kan
.. +
+ . ..r..
uit een mengsel :::et een C_ncrt ieRS .r;c;:ontroleerd door zOVJel de ,-;:J.
sfase-nls de vloaistoffase-wc~rstnnd . (1~t.26)
Verwac~t mag worden dnt in het hier o~trodcnde geval de ~asfase-weerstand
overheersend z;;~. z',;n ter:gev'Jlg-e " .:;'11 d'2 snelle r':?él.kt ie V!Hl 302 met nitriet.
1.3tofov~rdracht i~ de ~~sfase.
)e ::wcst bruikb.:'\re correl0.tie voor dc ';:;erekc"1inc vo.n de stofov2rJracht
s-l:oe ffici.;;"t in de giJsfnse is:
(li t. 27)
:~sse!':tieel r;cldt deze cm~irischc corr·]lnt-:.c voor het am:r,ó'ia}c-watcr systeem,
';IC ~:un:1C!'l deze VC1'VoLj-:in,,: echter br'J.ikbn:cr maken voor andere systemen
. .. ( •. ) W f . . ,~1
l':.ons 1".0 . \ "n:: • I, ·~S(;)
voor elk systeem geldt:
Janneer het Reynolds~et~l (::~e)
e
n
de geometrie der kolo~ i n beide geval -len gel~: z~n, z~n de konst~n~en d~t oo~ C~ ~eldt :h
=
.. et: (voor het ::::7-,\·':.l.tcr systce:~, 1 i nch Raschig
Gl=20 900 " (
...
~)... \'''' .11 ...
0C )
lb/hr.Sél ft .
=
(
L
)
=
0
,
6
7
voor diffusie in lucht bj:i 200e
Clit.,2'Ji)p
D
'-17
-en i'tonn--enom-en dil t de beide :3c hmid t-getc_llcn gel ;,lkehjk vc~~o_nderen met de
te~ucratuur, vinden wc voor de stofuvcrJrac~tskocfficl~nt in de easfase:
= 25,3 lbmolos/hr.cuft.6y
'2
= 0,113 kgmol/sek.m) .6;;
::xpcrimenteel 'vonden ,fhitncy en 'Jivi!1n (::'it.30) '100':' het 3C.,-·";3ter systeem:
'-= 2:+,3'.5 lc:::olcs/hc-.:uft.6y
~eide wa~rden stemmen ~oed OV2reen, nemen wc het gc~iddelde dan kr~gen we
voor d~ stofoverdrnchtskocffic~~nt ~n d0 Gusfase :
.Jtofovcrdrnc~t in de vlocisto~fiJse.
De stofoverdr~cht in de vloeistoffase wordt beinvloed -door de op de ao.sorrti
volgende snelle che~ische reRkti~. :!e z~llen eerst de stofovcrdrachts -koeffici~nt berekenen zonder rakcnjn~ t~ houden met de r~nktie en ver-volgens de ~evonden kl korrigeren.
Voor stofoverdracht in de vloeistoffase geldt de correlatie van ~herwood
en :Iollowny (li t. -:SJ,) :
D waarin:
()( en n konst"ntcn zi,4n voor de pai-:J:ing: voor 1 inch l:aschie; rin,~8n 100
resp. 0,?2 (lit.25)
~, Cl = vloeistofbelasting : 12650 c:e lJasc2rd op V-In tcr- flov;ra te) ""
L
D
=
diffusi'ó'coefficiënt v..-,n 30~ in w .. -t0r: O,565.l0--r sqftjhr . c:: 1-0, :~2 2, k1 • a=
100 i lC
,
565
.
10-:·t
12650
J
2, "'1'1l
./J03h.
Cl, "565.
10-,
-'j
0,5
-,
kl~=
90,6
lbmoles/hr.c~ft.6x,fuitney en Vivian (lit .~O) vonden voor het systeem 30~-water :
c
-
rS
-::Cf.'len we '.veer het fSomiddelde d<"n vi.nden VJe voor dc stofover,-:rC'cl:t :-:ondcr
chemische r eakt ie:
k1 a=
9
6
,
)
1 b::-:oles/!1r. cuft .6,:'.JOOl' d,~ berekening van Je korrc!,-ti.,· v:1.n ;':1 :;tcLLC!l 1::8 ons ;l'ê.'t. VO"'i~~nj0
beeld van de ~bsorntie voor:
',J"nncer de ni:;rietonloss::"n0' voor lv;t eerst in kont::-:kt ;':01:"t r.kt ::~t
1'oos'"-grlsmenf,sel in do to:! van d'J ::olo:~, ~.;-l SO:-> o;,los::Jen C-:ctr'cen ~'Jp33rd zal
p;r'2nsvl3.k zullen diffunderen. Je sn.:~_1.C: v:·:-':'::dj1'i;-,ç v'.n dL -::r:,::t'u:~er. U::.t
de zon'0 nabj.i ~,et r;-1'·:;nsvlak :n::J.akt het nood::::akc:J_j~k voor bin"-e;.>~o:ner:d 30')
'-do~r een ~edeelt~ var: dc vloeistof t e diffund~ren om met d,: in t~~enov2r
~est~ldc richtin~ diffunjerendere3kt~nten te rC:·i~crcn. Je rc~lct:,e~5ne
zal zich dus verw'~dcrcn v~n het ~rensvlak tus3en ~~s cn v~ocj.st0f en r:ee~t
ee~ stationaire positie i n zod"nig d,t aanvoer van ~G2 ç~, ~ ~s ~an de [1;-;.nvoer vrtn rca!,:.t'l.!1tcn uit d3 hoofd~o.ss:1. --.:.innen zeer )-o: .. t :·\ t:" ". _,reik:
de :,eélktiezone deze C'/8:1'.-JiC!~ tsposi tie. \'~C bruikmil.h::nd V:',11 cie::::c t!1eo l'::' ~
(de fi~~theorie) ~elrtt voor de stofov~rdr,c~:tskocffici~nt ~n G~v~- d~
reil.ktic v~n tweede orde is:
D, H (::. + D
:s
q c , , , clOmd:ü er in d·::; literntuur g'ee!1 élnclerc oru:"l:b:,r c corI".::2.é'.ties [r:;r'e'!c:-~ ,;o~'.,;,·:;:: ,
D,
= diffusi
ckoefficiënt vC!n het [';.::.s in d'J vl08i.:;:of, 0(.:30,,) = ~"
·é
DB = diffusieko2fficl~nt van de O~~C_03t~ r~a;~t,nt i:1 de v~oeistof,
-19
-gemiddelde :';:o!1.centr~üie élan ~::;4;JO? on CJH4)")CO"Z waarb~j we
'-- "- :J
aannemen d;:Jt een gedeelte overeenkomend met d,; l10eveelheid
30") in de kringloo-:Jo;üos.3ini' reeds voor oinnenkomst in de
"-kolom heeft gereareerd. ~e vinden: 0,042 grool/liter.
c ~ ,= koncentrat ie van 30_ a~n het ~rensvlak, we mogen aannemen
n1 ~
dat deze G'<c:lijl-: is aan de eveU\'iichtskoncentrélti e. Voor de
p;t)mir:de:de C ,'\i vinden tIe met b'c~hu::"~) v,:m do cvem:ichtsre- '
r;evens van 502 in woter b;,~
bOc
(liL ;;:;:'): 0,294 gmol/:iter.x
L
--
dikte vnn de vloeistoffilm.'ilélnneer geen cher.lische reakt ie zou Dl'1;.tsvinde," zou gelden:
~joor de korrel:tiefaktor vinden we c1us:
en voor de gekorri~eerdc overJr~cht3kocffici~nt:
~oor de verhouding der kooffici~nten :n v~oeistof- en gasfase wor~t gevonden
Voor de ligginr van de evenwichts:~n gebruike!1. we de ro~evcnG vnn lit(28).
5
,
0
2
,
5
::',51
,
0
0,70
,
5
0
,
3
0,10
,
0.5
0,02 P'o ...) 2 ,~ 0 J / 15,2IJ
,
i'.
,
-"-,-, I'" \..-,0 Y (),1948 0,09080
,
05uO
0,0307 0,0200 0,0:;'303 O,O()15,s 0, :)U()79 .=' , OOI.) 329 x •135
,
0
09
,7
Ltl,919
,
7
l4,1 2,31 1,410
,
565
De \:erl:li~~ n k.:m ook '"lorden g-et ek'2!1.d
: Y
G l' U LlOl ( t",, )b
= ,
~ enY
t = , ~es e~u .x. kan :J Horden R'cvonden door de oV'Jrr:ll.,'lt ,~) '0 ,? l,l ' d ,~ O'O 1 OS::1ng ' l, n p:mo_] . t e
del en door
~e
t tot
a~l
3.Gntalr:::!
O
~
.
:
X.·o7
,
C5
•
lO
_
L~
I
I I: I -20 -Xt=
°
a~ngenomcn dat de in de ol)loS3ing aanwezige 802 voor binnenko~stin de kolom reeds heeft gerc~,;::Qcrd !':let de toerevocf;de n:'tricto )103..;i.l:-;.
cn vloeistof[ascwoerstand) hellinr Véln
_
L.
,
0, (vcrnou(Enr r;:lsL.,sc:Vl :crstanà'"even l:et verèrcnd tusGel". de bulJ.::'oncl:'...t:i.és (Y) en grensvl~d(ond:'...tieG (y.: 1 Y :),} \ 0,12"i (',lCl 0,070
0
,
058
0,0 47
0,036 0,024 0,012 0,004 0,001 De resultaten worde~ y. 1 Yi-Y 0,10 - ' ,;32 0,091, -0,031 n,075 -J,02é '"',052-
,J1.' 0,042 -0,016 0,03:-) -0,014 0, O.~~h -0,012 0,016 -:;,008 0,008 -O,OOlf 0,003 -0, GC:l 0,0,)0') -O,OU05 ~r~ezet in rr~fiek 11,y
°
J
1~,
_
Y)
0, 101 ... l/y~ -y .1. - ')1,2-
V
,
2
-38,4-
71
,
Lf -85,4 1 ') co - ..1..(_ .,,' -250 -1000 -20DO • +-waEtrna fleudoor ~rafische ~nte~r3tie wordt ~evonden: ~G= 17. Voor de hoorte van een tr~nGnortecnheid ~e1dt:
G
= ge::: • 2(.'
,
'<,6
+ C, 90 2 ;--1("1 = ü 10 k g.a . .J. . (-~-VJ \ " rem.(
l
-
y;
=
C',G4 Ge~!Voor de hoogte wordt gevonden:
:r -J.. ...
,....,-\.1
- :; 10
-0,112 . 2,16 . 0. 34
'foor de hoo.c:tc der ko1o!n,:y'lld(iug' vi:1dc~ "Je dan:
-21
-Veiligheidsh~lvc afronden naar boven geeft e~n pn~~inshoogte van
3
.
.
m •2. Je rrydro1ysercaktor
Ll' t. (10) \ _ e e e f t ee:1 hy drolys'2L,-'d " van 1 _,,-:; uur bJ.'';''L " -')Oov~ . i-I.J.s ,- rei"lktor nemen
we een tDnkreaktor ~et een zo~nnirre w~rk~ruk dat de vloeistof nog niet
kookt b0 120°C. Joor de ontwi~:ende rassen wordt de vloeistof voldoende in beroerin~ ~ebrncht, een extra roerder is niet noo,lzake1jk. De vcr
-bl~fttdsspreiding is niet van ~rote invloed omdat ook gQd~eltel~~ gchy -drolyseerd hydroxylaminedisulfona,t ~~onosu:fonant) in d0 cyclohe~anon -omzettinr. }:an ·.,orden c;ecruLct.
Je b0re~e~ing loout als vo]~t:
Vo:umestroom die in de ro01:::or kOr.Jt :
lis
=vi'.:
o3
misek.v=:.s
.
V
=
~ t::; . 3/j(;0 . lt:53~ o.
lo
-'--
3
~ I~3
=
,
5"1"
m:':iezen He voor de hoogte 3 moto::-, dnn 'dordt veor de diameter gevonden:
D = 1, :;JC) m,
3
.
:~erCK eni ng van d 2 W'lrm t e\':isseJanrs 'a.0e koeler voor de kri~g:oono~los3ing
1.3erekening van de ~<:o,::J er r:d: freon 12 [1-:) 1:oe2.:üàdel.
tf'I
rn--
60
,
,'~,' ,'J3
1.C crIs
e I.: •Gc·gcvens Vé.1n de kringloo')o"~os~~inp': 'f, ") <,
-Gegevens v~~ het k00:~id!ci :
,~ .l..= ~
T
= ;'1 1500 kg/r.:~}fL
=
2-,2 cp (gCSCilé1.t) n=
_ ? , ... ') 71 .I 'L-? at-, .I
I
'
I
r ~ I I I Q \.J \" \ \ \,
, ' \ , l\,\ \..
'
, l,4~5 kg/l. dA '- ,3
12 , 'JI..J..
,
kg/m }3,07 kcal/kg. 1De over te dragen warr.1te beir3ar.;t 556 b'l.
\, \ I -22 -Clit.34)
.
~ ,We kiezen een shell and tube warmtewisselaar met het freon om de pijpen en
de krin~loopoplossing in de 9~pen. Als hoofdformule voor de wa~mteover
dracht p:eldt:
4>
w =A
.A
'J
,
U
<p
=
"156
k~''i w ' ~ _6
'r
lm=
--
'
-In °,1/6 I . IJ '7 I oe
=
(
,
I~ • n I J " ,; :' ) i/jIn l i t.(35) wordt voor de ~10b8le U voor de warmteoverdracht van stromende
vloeistof nq:J.r kokende vloeistof gegeven: 300-1000 'vi/m2• oe . . Je stellen U=700
~J/m2
.
oe enkr~~;en
dan voor het benodigd warr:lt ewisselend oppervla1<.:556 -:>
A = 107 m~
7
,
4
.
0
,
7
Voor de p~pen nemen wc: D,,=
25
~rn, J = ~l mm. Voor deze di ameter g~ldt bUu
,een volumestroom VD.n 800 l/uur: tie /> 10U00 dus volledi,' t'lrou1ente stroming.
De volumestroom is hier: 40 I/sek. =14t.000 I/uur. Het rnaxino.le ao.ntal p:,~pen
~er pass wordt dus: 146000/Roo =
':Je nemen 150 n!,"nen }'er 9ass en 4 passes en kri.:~en voor d..; lenr;te der piJpen: 107
= ~,
3
::lctor.St ellen we de tot~le len~tc der koeler o~
3
r.1etcr, do.n is cr een do.mpruimtevan 0,70 r. ••
De dir'tmeter van d? ko~le:r \flard t .... ~l.~ v'!lrt l-):::r2!<: :n.]:
Voor
D
sh
e l ' vinden we nu:.L
D
=
Dl + D (~)i~p) +shell u . . ' " 1. , c; /
t =st eel;:=
1,3 .
3
1
=40,3
m=voor Goc ,',:jpen in
6.
opstelling: 2),7 (1i t36) " = " )'- ' 7.uI - .:..~'" 11-0,3
=
1036
mmo. t + 2.d 1
p!J.GsJl <J.D.t + 2. d h s. e 1" -'-
=
Voor de warmteoverdrachtskoefficiënt binnen de p~pen geldt: ReO,3= h.D l.. k 1 ~ 0
73
TJu=
O,023.;:{e\..." .:·r ',:;D
.
v
.p
0
0 c .~,'\
33=
0, 023 (IJ.
)
,
,)
•
(
.2.-) J , k-
3
-
3
25.10 .40.1500.10 )0,3 :: 2399 ( 7: ? 150.0,0492 .1,2.10-~.10-~-
3
O
~33
,
5
.
1
,
2
.
10
~ ~~pr
'
'''
= ( , )1.",..- =1
,
895
0, 35.0,017::;.10-~ h.D l k=
0,023 . 2399 • 1,g95 ::Voor de warmteoverdrncttskoeffici~nt van de wand geldt :
h = kid = "1
27,0 • 1,73 ?
---=
3
= 15570.';/m'-.Os
3
.
10-De warmteoverdrachtskoefficiënt Or.! de piipen is rnocili,jk te berekenen, we
stellen deze op 1000
~/m2
.
oC
.
Voord~
tot
~le
war!·,t8weerstand wordt dan ge -vonden:Rt t =. 1/2530 + 1/1557U ... 1/1000= 0,00147 m2• o':-/vv
o 'r:.
en voor de totale warr.1teov0rJr~chtskocffici~nt:
Utot· . 1
/
J
('0"7
'-00 ' ' / 2oe
= . L , J .L '+
=
O.l ,. m •Door iteratie kan nu het ~eheel wor~en b~rekend totdat allee sluit, de
juiste w~arden zullen slechts wei~ir versc~i:len van de hier revanden de
berekende
U
tot verschilt slechts weinir van de aanrcnornenU
tot ' ,Aan freon 12 hebben we nodig:
556
-
--;;
../,46
1-.!"-ccris
' ' ...'
lr .Y~ ,17
•
h,19het~een betekent dat er,aan freon (vloeistof) in baat : ~,46/1,425 = 2,42 1/:
en aan freon (damp) cr uit :
:
,
46/
c
,
0
12'\
= 270 I/se>::.. l" ~·Uv~ ( r.J;'tn::'.1 \-
24-2.Berekening van de koeler met pekelorlossinr nIs koelmiddel.
We kiezen een shell and tube warmtewisselaar ( 1 shell pass, 4 tube passes) met het koelmiddel (25
%
CnC12-oplossin~) in de p~pen vanwege de' verv~ilen de werking.Gegevens koelmid~el: (lit.38,~9)
c
=
p'I
--r-- ---20°C (gekozen) 1229 kg/m) 0,690 kcal/kg.oC 8050 10-6
kg/se~
.
m
.
k = 0,35 n u , 0177. Jlof
.'v/
cm. oe Warmteoverdrachts~ocffici~nt in d~ p~pen.Voor de p~gen nemen we weer: D,=2~ mm, D = ~l mmo Stellen we de vlo
eistof-l u
snelheid in de p~pen op 2 m/sc~. dan vinden we met behulp van ~c formule,
"-van l i t . ( 37)
:
\ \~ ''\ \
"-h,= 1110
W/m~
.
oe.'
l
Warmteoverdrac~tskocffici~nt v~n de wRnd. ~~i8rvoor vinden we weer:
h = ,c:c,..,O .L.j./ {
"
•1/
m 2 • oew .
'darmteoverdrachtskocfficiënt om de pi,lpen.
't 11 U 700
'1/
2 oe h t 'd" l ' t t h'l op 15°·"", ~ e en we tot= ~ m. en e geml uC oe empera uursversc l _2 dan vindefrwe voor het benodigde warmtcwissel~nd oppervlak:
53
m .Nemen we 50 p~?en per pass, dus 200 p~p~n in totaal dan krU~en we voor de diameter van de koeler (p~pcn in~ opste!ling):
Dl
=
m • t t =l,3
.
31 = 40,3 mrn m=
14,
43
(lit.3[)=
584 + 31 + Cl + 20 + l2=
70~ mmoVoor de berekening van de warmteov:.:rurachtskoefficiënt om de pijpen maken we gebruik van de grafiek van l i t. (40). We voorzien de koeler van schotten (schotafstand 30 cm) en nemen zuivere croossf10w aan.
Ruimte tussen de p~pen voor crossflow:
40
,
3
-
3:
=9
,
3
mmHet aantal pijpen in het centrum wordt b~ be~Qderi~g gevonden door:
-
25
-Als we de lengte van de 'I shell-siele flow area:1 geliJk nemen aan de s chot-afstand, dan krijgen
we
voor S :1
-/
-
3
Sshell(min) =17
.
30
.
10 -
.
9
,
3
•
10
=
0
,
0475
m~Uit
de G=
60
,
833/0,0/
+
75
max. 2=
12B} kg/m .sek. G .D 7. max 0 l2?,1.
31.
lU--'=
=
33200f.J-
l ,?.
:::"0
-
3
g-raf
i
ek
van li t. (40)vinden
we dnn:h o e TI' /-I- ) :?./3 ( _ _ -'C-. _ _ ) • ( =
0
,
007
c • G P max. h o=
k 7. :-'t ) •3
,
63.5
1231 ( ) > 2 0..,=
;,
64
k ~l / m • vKorrektie voor niet zuivere crossflow :
60
%
.
Voor de warmteoverdrachts-koeffici~nt om de pijpen wordt dan ~evondcn:
Tengevolge van dG vervuiling:
h v
=
1000 .5
,
63
=
-)6~0 (lit.4C) Voor de totale warrnteoverdrachtskoeffici~nt vinden we:l/U
=
1/1110
+1/15570
+1/5130
+1/5680
=.:0
,
001334
De massastroom van de pekeloplossin~ i s het produkt van de snelheid, het aantal pi.i:pen per pass en de imJendig.e doorsnede van een Dito .... '., .... en
2 •
50
.
( ,Ohg2 .10
" -21299
=
63
,
8
kg/sck.Jaar de ~f van de pekeloplossin~ vinden we
(> Q ... ' - ' , '~I •
556
0
,
6
9
0
•
4,19
.,,0 , = :; ~Het p;emiddelde tempernLwrversc hil over d-2 koel er:
lG
-
1
5
,
C
=
, 11"/1- /
.in u "),()
..
Korrektie voor 1 shell, 4 tube passes: 0,99 (lit.41)
Het benorligde oppervlak Hordt dan:
556
A
=
15
,
6
.
0
,
75
=
47
Totale len~te ~an p~p:
47/
0
,
078
5
=60~ m2 m
-
2
6
-\-Ie hebben in totaal 200 pi,ipen, waarmee de lenr,te van de koeler op
3
met~r kon:t. :Iet élantul benodigde schot-:cn Horclt dan9
.
,/
b. ~e koeler voor de uitgangsoplossing (warmtewisselaar 1)
u
e
berekenin~en verlopen an:lloog arrn die onder <J. !)e r'esu2..tate~1 z'.:n opr,e-nomen in onderstaande t3bel.
<pm(oplossinf,) ~v(oplossinh) T.(ol n- lossing) T (o:)lossinr.) u ' k0/sek.
:5
m /sek. On v Or v ,armtewisselend mediu~ ~ (mediun) ~ 1'. (:nedi U!:l) l :~' (medium) u cr - l ~m ;,!~/sek .oe
o~ ',-, O,~ IJ k:!3enodi~d ~ur~tewiGselenJ onv.
'di (p~;pen) d (:I',ine n) u ' v in p;jpen aé'tntol D5,~pcn dU::1prui:'lte lenp;te ww. diamc t er è·J1.·J. m m ' ) m r-1, I~Gj 1
,
.
7,.
.
lU,,-3 20°
freon 120
,
G25
-,::0 -, ( .... - -\....' 21 lU35
,
1
'
r U Q 0, ';0=--
,
5
)l/~
.~v.('
,
.. / ~ 1.
~/r
I I IVolledi~heidshalve dient te worjen o)~d~erkt dat dd oplossing in de ptpen
en het freon om de ntpen stroo~t.
c. Verw3rmen van de ingan~sonlos5in~ van het hydrolysevat met behulp van
stoom (warmtewisselaar
4)
.
Ook hier is de berekenin~ annloof, aan die onder a. ~~ de bep21ing van de totale warmteoverdrachtskoeffici~nt is rcbruik gemaakt van ~~~evens van
-27
-l i t. (42). De oplossing stroomt i:1 de pi,ipen, stoom om de 'pijpen. Ondersta3.nde
tabel geeft de resultaten.
4!
"1
(o'9lossing) <pv(onloss::":1g) ':'l . (onlo- ssinc-) r,T
u (oplossing) ' kg/s,:::k J / k n ' / se Or> ~ 0 , vw~rntewisselend meiiun
4>.(meclium) l.',(mediur:1) ~ 'r hedium) u .f.." 't' .. benodir:d ww. OT1Cl. d. (pi~pen) l ' d u (u- j,-ine', n) v in T)~~pCn o.an tnl p:,'ppn lengte W\':. kp;/sck or"' 2 m :,nm n:/sck m 1, ,397
-
"
1,35 • 10 ;;7
5
,
7
93,3 stoom0
,
055
130 13045
0
,
77
68
1,53
x
5
1d. '.'i::trntewisscling tussen in- e,l ui tg-o.ë-lnde s troo'~ van het hydrol.ysevat
(warmtewisselaar
3)
.
, • %,,,,,,'
,,cvv
'
',Je kiezen b.ier.voor een dubbele -'p~;p \1armtewis:'elaar., \
...
/ '~ n (~~ Berekening van de warmteweerst~nd Ri'
, ,1..1 __ \'1 ~ - •
I
r
,
/,
:
iJe",cvens. , I JP .', (l I <'l ~, rrY""
t
v~
'
r~
I,V
I /IJ-'
.
~
m=
1, ,r; 32 kg/sek.'
<P"
= 1, itl l/sd: .. 120,,0'; T.= " v\ 1-.
\ T = 40 0(' v u d.= l 50 mm I, d = 56 mm uVoor de snelheid in de p:,ip vind:::n we: v= 0,141/0,197
=
0
,
71
5
:n/sek.Re =
Pr
=
h. d,. l l k 7 0,715 . 50 • 10-~ • 1300 ::r 116000 7 0,4 • 10-;; _4.3
, cj . OL , • 10 ," , -1 0,35 • 0, 173 . 10 _ ? '2:1 . --
,
/-o
0 0 "=
0,023 .(11600) " . (2,31) , .J(volledig turuulente $troming)
ft - 7 ' / ~O ln-
3
1 1~711. - _ , Jo.. + . :J • v • = )
1 ' .
_
, 0- ) m (:/ ',1 Voor de wnrmtcweerstand vinden wc dan:
Cl - l/h . - 'J, (.):"1')'" ..:-\. -~. . .li. - IJ .. ) ~:1. 0,,/,[ '.J .; 1 1 1 ~~~~~~~~~g-~~~-~~-~~~~!~~~~~~~~~3-3o· Ge!~eve:1.S :
<P
m=
"1 ~, Qo,..., / ( kf':/S0;'~
v::
l
,
355
l/se~: '71 J..= 1' 5
0.,-
.t
,
\.Ir
:: 75,7oe
èl d.= 100 mro 1 d=
106 ::un uVoor de equivolente d~3metcr re1dt: -:..J :: I L , 'J ' I I n ~ \ I -J. " ~ vt /,
. • cq
en P = :-,11, (::'00 + ,,;S)
) :1 C 1 ~ e i cl v
=
0, 13
SC; / () , 1.52=
I.', , :) !.~,-') Ir~/r .' ~) ,:"I" -;.. -'.
,~c 0, ) (12
.
LtLf- 10-3
l/l00 735r)() = 'L :: 0,7.
10- ) 7' -J, 7.
10 0 3,'-5 ?r := .- '+,05CI
,
35
0 0,',:173
.
10 -1 h o .D eq 0 Q I, --~. = 0,023 . (7'3500) , ~ 0 (\,0::;) , k -~-
3
2 i\ ::3
.
14
.
56
0 10 j • 1 =176
•
10 r.1 1::-, o;oor de wnrmtewcerstnnd vinden we Jun:
R ~ :/h oh :: J,0J:~G
0 0 0
Vlnr'11tevl·~er:3tn.nd V~l.Yl de Hand TI
---
-
-
--
--
-
--
---,w
r:emilHe::'de lliilmeter von de \/imd :
5
7, r:m
.,
I . ',/ , .... ~emiddelde w~nd09~ervlQk:3
,
14
voor de weerst::l:ld kri;Gcn He : 1 = ~~::,5•
R w = HanddiY:te k.A w~oor de totolJ wormtewecrstand
= ;,. .
-
1 (~~-
-
-
-27
-.r
.LJ-
;
v~nLicn,1'\
7") 7-:::: ' J " L - , ' _ I-
28
--
:J
,
000336-
29
-Ret log. 0'e:niddelde teMper"ttiurverschil: en J.., =
1.1'1
De over te dragen War!êlte: 'ïl2 j.;:'.J
Er geldt:
512000
'
::'en,,:t0
-=\3/rttot
.
Voor de benoclio.;de 1enr;te vin,len \-Je:
L = }><','5 m
;:enea He 10 1)j,:-plen>,;ten van 4 me ter, chn bl~jft er per lengte 15 cm voor
k01Jpelinr,en over ': ineffektief voor 'vJ::lrmt'-;0',erdr':c!1t).
~ .~orekening der nom~en.
a.Je roost~askompressor
Joar de berekening van de :iru~:v:1l over de gepakte ',.;,oloM ::1élkcn we r,ebruik
van de
= 0,00728
p;c·
P
t-:"
P
:
G =
1,66
1 b/hr. sC] f tvoor 1 inch Raschi~ r~n~cn: 160
r = c p,~=
f
::.=
f
\-,=
::',2 cp ':',18 •lU
~e~iddelde dic~theid 70
,
0036
.
10~ lh/cuftdichtheL~ va!1 'dDter
=
r
T / ,--,
L \.1
van het roost~~s =
J,0::2;, . 10 J lo/cuft
= 1, 1.0'j
2
Uit de grafiek vinden we ian voor de Jrukval: 0 ,4 in.
t:oop:te der pn.J::king:
'3
m = ::l, '\:,:::; ft1) ' / I ~M ,:tV c· , (;75 ,; ' ,
o
0qt/.
=
0',08!t3(IFJ?
Î>I)Irt!
o~ t~ voorko~en d~t vloeistofJ:'upnels door het paG worden mC2~cvoerd,
'Jren-:en \'JC bove:: cle vloe~sto,:'L:ü:1:--t ce:: dl'OV',; Do.;~:-in{': :;;),n. h)or cle hier
cte
=
~~e =C
f-'
-
2 "2 d .G [) Cl27Q : ,21.
.
~_Go.
z
6
. g c'p
g ,~,
v ~,. J. 150. (1 -€) = +1
,
75
Re
waarin d da effcktieve diameter van de d~eltjes
TI ?;eldt: d ;;: p
- (-
E
\
f... ..:.. - .=
58
')1j-3 21(10 ::-=
:0
3600
;;: 3201Joor de '.rukval over de lr'lp;e palcl:inr; vi!1den wc dan :
L-,
1
,
77
---~----6
.
4
,
18
.
10
.
1 • (',075
v' •-
30
--is, vlCl.OTVOO:0
,
2
79
ft~inrbt moet worden op~et~id de drukva: over de uakkingondersteuner e!1 de
vloeistofverdeler en de drukver:iezen
hU
expansie (inlaat) en kontraktie(uitlaat) van het ~ns . Voor een ~oed o~tworpen ~akkinr-ondcr~t8il~er en
vloeistofverdeler z;"(l de c.:rukv~tl V"';f'Hn'lrloosba".r z··n . . oor een ··assnel -~eid in de in- en uitlaat leidin~en ~an 2~ ft/ sek. zullen de cxnansie en
---kontrxd,ie 'Jtjrlie::,en hoop;stens ::','5 vc:locity heDd ':Jcdr~1r"e!l ( I::.t. .!+), ::ct
-reen neerkomt op:
Je totale drukval over de kolom ~or :t:
lI.F ;;: 20,'5 +
'v'erl-Joarlozen we het drukverlies il!. de toevoerleiding .;'an ;:r\!ge:l \',e voor
het effektief nonpver~ogen :
p e A~·) • J ;;:
- -
---p
"'1 ;;: , 2_,-'--_ _ _ _ _ _ ~ , ~6_
~.
.
__
(
;:
,
:
~_.: ~'':.3tel het rendement 0,) O,h, dan iiorc1t :1èt Ilt::rkel.' kc 1,0 'pverr:lOf':cn:
=
7:~ 5,:':-" , -~( I ~.::
~ ,,",:. - r.
_ ( .1V •
;;:
=-,6~De drukverho~ing en de volumestroo~ ~~ .. ~oi~~ig do~ we ~oor deze kompressor
-
31
-1 . . )ru~'~vcrli~s -in àe leiJinp:.
;:eem een leidin~len~te ~ van 12 m en een vloeistofsnelheid in de leiding
van =" m/sel~. Je dia'neter V'1n de }eil;-in8' wordt .Jan: D. =(;,12; Dl (5 inch
l
standnard 9i:P;
dru1<:verlies:
Joar stro~ing i n een leidinIT ~eldt voor het
Voor leidingen met ronde doorsn~de:
c
= L.. f . =ID
.
~.: l
4f is een funktie van het [~eynoIds ~et.:J.l : Rc= l'jUC. ._, :: .0,123 _ 7) =
1.,'- • 10 "
o .
'Ioor een bocht V.3.n 90 is het 'vl{.('rst~'r:Jsl·et{ll K : C,7
w (1 ~ t . l,S)
Voor het drukverlies in de leij~n~ vinden W2 dan:
~n = ( ., 71 'I "'" \ \ • .l. , )~. + . , .. " • ,~ c: ,
,
. 2 . Jru~:v·~rlies i.n de 1~oelcr. J:lS: ~ = C,027 1tl r L • ~, l~e Ir. f=
0, )27 = :'2, ',)5. • :::'500 • () = 13')00:T/m
c2• ·1 = --,:iemen He voor het 1tleersL'n,ls,..ot:~l voor vervl:.:dinC: 1 ,0 ; voor vernaawi n[:
0,7; voor cer, "bocht" vnn 1.<:1,00 : l ,.~ cr~ vcroncierGt,;llen we d::: sn(;_;:<;:"<1 in
de ::ocler :w::sL.1.nt (0, :'ïl, ::1./S2::. : . dan vinden we voor de drul:val 'JVO:' c1c
koeler: ó;} =
12
,
95
0
,
5
+4
.
,
.L • ") . 2.500 . C,·,':;;.'!)·- +"
,
s
•
l500. (1 • 2 ~) .',';4) + C,'ï . ('0,')!1)'- + 3 . 1,.' . + 2 • (, ....), '7 Il'et te ovcrw:l,nnen noo,.,-t·;'I::rsc::il is: hoo.ç:t:~ tier natte p[l.}:j.:~ni!, + hoo;--;-te
van de ~qkkin--onderstcu~er, vloeistof- en gasverdeler + rui~t~ tussen
,é'.'Bsvcrdc::"er en vlocistoL10vcau ~~n d:: )':0101'::: • .;:;tel deze som op 4 m • . /e vinden
dar..: ~ n = 1 SOO • tot -= 1;:0' .. /0 e ? ij. + 13500 + 20.'500 = 93000 H/r.-;-. , )/+ = 3720 ',J.