Verslag behorende bij het processchema: Bereiding van smeerolie uit zwavelhoudende aardolie

ILExtra.ctie va.n smeerolie 1.Inleiding

blz. 4

. . . b lz.

4

2.Verschillende soorten extractieprocessen ••.•••••• blz.

5

3.Keuze va.n het extractieproces •••••••••••••.•••••• blz.

6

IlLHet fenol proces blz. 8

1 • Fysi sche achtergrond .•...••••••••..•....•.••••• blz. 8 2.Flowsheet . . . blz. 8 3.Grootte en plaats van het extractieproces •••••••• blz.10

IV.Berekeningen blz.12

1.Gebruikte rekengrootheden ••.••.•••••••...•••.•••• blz.12 2.Berekening massabalansen ••..••...•••.••..•.••.•.. blz.13 3.Fenol droogtoren ••..•••••••••••••••••••.••••••.•• blz.14 4.Berekening van de temperaturen •••••••.••••••.•••• blz.17

V.Grootte en keuze der apparatuur blz.21

1.Berekening van de warmtewisselaars ••••••••••.••.• blz.21 2.Keuze en grootte der torens ••••••.••••••••••••••• blz.25 3.Diversen ••.•••.••••••••••••••••••••••••.••••••••• blz.29

Vl.Literatuur blz·32

I.Inleiding over smeerolie.

Dit verslag behandelt de bereiding van smeerolie uit zwavelhoudende aardo-lie. Smeerolie is een belangr~k product. De wereldproductie bedroeg ca 10 miljoen ton in 1947. De meeste smeeroliën worden gemaakt uit aardolie, om-dat dit een goedkope uitgangsgrondstof is. Synthetische smeeroliën worden alleen gemaakt voor speciale toepassingen.

De ruwe aardolie bestaat uit een complex mengsel van koolwaterstoffen plus kleine hoeveelheden van andere organische stoffen, die zwavel, stikstof en zuurstof bevatten. Naar structuur kunnen we de aardolie ruwweg verdelen in paraffinen, naftenen en aromaten.

Smeerolie kan bereid worden uit het residue dat wordt verkregen b~ de (at-mosferische) destillatie van ruwe aardolie. Dit residue wordt door vacuum-destillatie in fracties gescheiden. We verkr~gen dan fracties met toenemend koo~punt en viscositeit. Ook houden we een residue over. Uit al deze produc-ten kan nu smeerolie bereid worden. Het kookpunt is ongeveer 4000C en het molecuulgewicht ca 500.

De bovengenoemde fracties z~n nog niet direct geschikt om als smeerolie ver-kocht te worden. Ze moeten verschillende behandelingen ondergaan. Door deze behandelingen worden de ongewenste componenten verw~derd. Ongewenste compo-nenten zijn b~voorbeeld de hoogpolymere aromatische verbindingen, die tendele voorzien z~n van zuurstof-bruggen (harsen en asfaltenen). Deze verbindingen geven na verloop van t~d een neerslag. Ook aromaten met een laag molecuul-gewicht hebben een slechte invloed op de kwaliteit van de olie. Ze beinvloe-den de oxidatiestabiliteit ongunstig. Verder wordt ook de viscositeitsindex nadelig beinvloed.

~ De viscositeitsindex (V.I.) is een maat voor het verloop van de temperatuur

I

met de viscositeit. Het viscositeitsverloop van de te onderzoeken olie wordt vergeleken met dat van twee standaardoliën, tussen bepaalde temperatuursgren-zen (350 e~ 100oC). Aan de goede olie geeft men de index 100, aan de slechte O.

Î

/0<> T :>

V,I '" ~~ x too 0/

118 /.

Onder een goede olie wordt verstaan een olie waarvan de viscositeit zo weinig mogel~k verandert met de temperatuur. Het voordeel van een dergelijke olie is dat ze bij verschil-lende temperaturen kan worden gebruikt. De drie te

ver-gel~ken

oliën moeten dezelfde viscositeit

b~

100°C hebben. De viscositeit b~ 350C wordt dan bepaald. Uit een eenvou-dige berekening volgt dan de viscositeitsindex.

De naftenen hebben tussenwaarden. Om een zo vlak mogelijk viscositeitsverloop te verkrijgen worden de aromaten verwijderd.

Deze verwijdering lukt niet door destillatie. Tot omstreeks 1930 werden de aromaten verwijderd door een zwavelzuurbehandelin~. Met deze methode kan men ale en uit bepaalde soorten aardolie goede smeeroliën maken. Alleen fracties uit Pennsylvania ruwe aardolie waren geschikt. Dit komt omdat deze oliesoort een~root percentage paraffinen bevat. De snel toenemende vraag dwong er toe ook andere typen olie toegankelijk te maken voor de smeeroliebereiding. Daar-om moest worden overgeschakeld op een andere behandelingsmethode.

Nu geschiedt de verwijdering van de ongewenste componenten met oplosmiddelen. De harsen en asfaltenen worden verwijderd door de olie te mengen met rpopaan.

Ze zijn hierin onoplosbaar en slaan neer. De aromaten worden verwijderd door extractie.

Als de olie wordt gemengd met een geschikt polair oplosmiddel kan er een fase scheiding worden bereikt. De paraffinen en de naftenen concentreren zich in de bovenlaag (raffinaatfase) en de aromaten in de onderlaag (extract fase). Door destillatie van de eerste fase wordt een gedearomatiseerd olie verkre-gen. De oudste methodè op dit gebied is de raffinage met zwaveldioxide. Dit ~ Edeleanu proces werd al omstreeks 1920 geschikt gemaakt voor de

smeerolie-bereiding. Latere processen maken gebruik va~~urfural, kresol, fenol, chlorex

\

en nitrobenzeen. Nu wordt in de V.S. 90% van alle smeerolie door extractie verkregen. De verschillende processen zullen nader worden besproken in hoofd-stuk 11.

Met oplosmiddelen kan uit een groot aantal soorten aardolie een goede smeer-olie bereid worden. Een ander belangrijk voordeel is dat het verkregen extract nuttig gebruikt kan worden. In het ongunstigste geval wordt het verstookt,' maar het kan ook worden gebruikt als oplosmiddel in de verfindustrie.

Om de smeerolie in koude omgeving te kunnen gebruiken moet het stolpunt vol-doende laag liggen. Om dit te bereiken wordt de was uit de olie verwijderd. Was is een mengsel van normale paraffinen met een hoog kookpunt en een lage

oplosbaarheid. De verw~dering geschiedt door koeling. Het neerslag kan dan worden verwijderd. Men moet niet te diep koelen; het verlies van olie en

ver-laging van de V.I. stellen een grens aan de hoeveelheid te verwijderen was. De smeerolie krijgt hierna nog een kleibehandeling en is dan gereed voor de verkoop.

De behandeling die een fractie moet ondergaan is voorgesteld in het schema op de volgende bladzijde (lit.1).

---:--lT;,~

.J/71!ö1 1 i - E-'Ii 0 : -T P)( WilS 1 - _tI.!! TRfJC7li: VB<lVy/JE fdN] lJéH!/~-OEJiMj dlflTII.1FlIl TERétY t '

-1

₁

lf

·

.

kleiner te maken. Hierdoor wordt de slijtage ook kleiner. We kunnen de vol-gende soorten smering onderscheiden:

1e. Volle film of hydrodynamische smering. Dit treedt op als de onderlinge snelheid en de druk tussen de machinedelen niet te groot is. Men moet in dit geva.l een dunne olie gebruiken.

2e. Halfdro~e of grenssmering. De laag vloeistof is kleiner dan 100 moleculen. Men heeft t~maken met een starre laag, die met moleculaire krachten aan de wand is vastgehecht. Bij dit type smering wordt een eigenschap, die men

'oiliness' noemt van belang. 'Oiliness' houdt verband met de kracht waar-mee de vloeistof aan de wand blijft zitten. Ze is hoger bij vette swaar-meer- smeer-middelen dan bij koolwaterstoffen. Daar de laatste soort stof beter bestand is tegen verouderin'g, wordt aan de koolwaterstoffen bepaalde componenten toegevoegd. Men spreekt van een gecompoundeerde olie.

De overgang van 1 naar 2 is niet scherp.

3e. Bij zeer hoge drukken geven de gewone smeeroliën geen bestendige laag tus-sen de twee delen. Hierdoor zou een grote slijtage en warmteontwikkeling kunnen ontstaan. Het resultaa.t hiervan zou kunnen zijn dat de twee delen aan elkaar gelast zouden kunnen worden. Voor dit soort gevallen gebruikt men een speciale soort olie: smeerolie voor extreme condi td.és. Ze best-aan uit oliën waaraan zwavelhalogeen verbindingen zijn toegevoegd. Deze

ver-b~ndinge~Vormen een dunne laag van ijzersulfide. Zo wordt er voorkomen da.t er metallisch contact ontstaat.

Voor de verschillende toepassingen van de smeerolie worden verschillende ei-genschappen van de olie belangrijk:

1. Voor toepassingen in een stoommachine moeten we smeerolie van het residu-ale type gebruiken. In een stoommilieu verdampt de olie heel gemakkelijk

(stoomdestillatie!).

2. Voor de smering van diesel en benzine motoren worden destillaat smeeroliën gebruikt. Deze oliën moeten een goede V.I. hebben daar ze zowel ls winters als 's zomers moeten worden gebruikt. Is de viscositeit bij de gebruiks-temperatuur te laag dan zal er veel olie weglekken. Door de hoge tempera-tuur infte moto~de aanwezigheid van zuurstof en de katalytische invloed van ijzer zal de neiging tot kwaliteitsverandering toenemen. Een destillaat olie heeft de grootste weerstand hiertegen.

".,

II.Extractie van smeerolie.

1 • Inle iding.

Er z~n een zeer groot aantal stoffen onderzocht die eventueel zouden kunnen dienen als oplosmiddel. Het ideale oplosmiddel moet aan verschillende eisen voldoen. De belangrijkste zijn wel (lit.2):

1 •

2.

3·

4·

Grote selectiviteit, d.w.z. voor een gegeven verbetering moet het oplos-middel zo weinig mogelijk olie verwijderen.

Een goede oploskracht. Er is dan weinig oplosmiddel nodig. Er is dan ook minder moeite nodig om het terug te winnen.

De terugwinning moet gemakkelijk zijn.

~. ~

5·

Het extractiemiddel moet goedkoop en in voldoende mate verkrijgbaar zijn. De stof mag niet giftig z~n.

6.

Ze moet chemisch stabiel zijn.

~

_I "- 7. Ze moet een laag smeltpunt bezitten.

Aan deze eisen voldoen de volgende oplosmiddelen min of meer: furfural, fenol propaan, kresol (met propaan: het duo-sol proces), zwaveldioxide en chlorex. De eerste twee en het duosolproces worden veelvuldig toegepast voor de extrac-tie. Dit blijkt uit de volgende gegevens (lit.4):

Furfural 32 fabrieken 98.300 B.P.D. )

*

42%

Fenol 19

'

,

66.500

'

,

28%

Duosol 12

'

,

40.000

'

,

17%

Edeleanu voor smeerolie 11

'

,

16.000

'

,

_7%

Chlorex 6

'

,

3.200

'

,

4%

*

_{) 1 B.P.D.}

₌

_{158,0 dm jdag}

3

De extracties verlopen meestal volgens eenzelfde patroon. De t~ehandelen olie wordt eerst gedroogd en dan ontlucht. Vervolgens ondergaat de olie een tegenstroomextractie. Hierna wordt de grootste hoeveelheid oplosmidde~an het raffinaat gescheiden. Daarna wordt het raffinaat volledig gezuiverd van het extractiemiddel, bijvoorbeeld door stoomstrippen. Ook het extractiemiddel moet gezuiverd worden. De fysische eigenschappen van het extractiemiddel bepalen de procesvoering.

De verkregen kwaliteit van de smeerolie wordt o.a. bepaald door de uitgangs-grondstof. Ook de hoeveelheid extractiemiddel en de toegepaste temperatuur bepalen mede de kwaliteit. Een verlaging van de temperatuur geeft verbetering van de selectiviteit. In de practijk bestaat er een ondergrens:

e

2e. aromaten zijn niet volledig mengbaar. Er moet dus een grote hoeveelheid extractiemiddel voor de extractie worden gebruikt. Het laatste treedt voor-al op bij ver doorgevoerde extractie. De minder goed oplosbare aromaten zijn van het paraffinisch-aromatische type.

Voor het contact tussen olie en oplosmiddel wordt bijna altijd tegenstroom ge-bruikt. Reflux behoeft niet te worden toegevoerd. Door aan de top en de bodem

-

--~

Ivan de to;;n

~paalde

temperaturen in te stellen, worden in de stroom reflux stoffen neergeslagen.

2.Verschillende soorten extractieprocessen.

Hieronder zullen enkele extractieprocessen in het kort worden besproken: 1i. Furfural

e

5H402 ' kookpunt 162

0

e.

Het furfuralprocesis tamelijk goedkoop.

Het heeft een redelijke extractie-efficiëncy. Er kunne:n tame~:Q::~t, f JI~

~

ten oli.e\me: behandeld worden. Furfural wordt

verkregenr~~

... tie\lllrv

~

van

~~

zemelen. Het is niet corrosief. .

De te behandelen olie wordt bij 800

e

in contact gebracht met de furfural~.­ Het raffinaat bevat zo weinig furfural, dat de smeerolie direct gezui-verd kan worden door stoomstrippen. Het extract vereist een grotere bewer-king. Eerst wordt het grootste deel van de furfural door evenwichtsdes-tillatie verwijderd. De rest g~at er uit door stoomstrippen. Nu moet de fur-fural nog worden gescheiden van het water. Dit geschiedt door destilatie. De verkregen azeotroop wordt afgekoeld. Er ontstaan twee lagen. De furfu-ral arme laag wordt naar de destillatiekolom teruggevoerd. De rijke laag

( 96% furfural ) wordt door strippen watervrij gemaakt.

2. 3.waveldioxide, kookpunt _100

e.

Met dit extractie middel kunnen niet alle soorten oliën behandeld worden. Men kan aleen de lichte en middelzware typen verwerken. Het oplossend vermogen is klein. Dit is te vergroten door temperatuursverhoging. Hierdoor wordt de werkdruk zeer hoog. Dit bezwaar kan worden ondervangen door de zwaveldioxide tefmengen met benzeen. Het op-lossend vermogen wordt dan groter.

Met de extractiemiddelen genoemd onder

1,3

en4 kan men meer uit een olie extraheren dan met zwaveldioxide. Hiertegenover staat als voordeel dat de verwijdering van het extractiemiddel gemakkelijk verloopt. Dit is een gevolg van het lage kookpunt.

De voeding moet goed gedroogd worden. Water vormt met zwaveldioxide zwave-lig zuur. Dit zuur is corrosief.

'.

3. Duosol-proces. Dit is het enige proces met twee oplosmiddelen, dat inten-sief wordt toegepast. Men gebruikt twee onmengbare vloeistoffen: propaan en kresol. Propaan lost de paraffinisch materialen op, kresol de aroma-tische. Dit proces is dus een combinatie van propaanontasfaltering en ex-tractie. Het kan direct op de smeerolie fractie worden toegepast •• Dit is dus van belang voor residuen (zie schema op blz.3). De twee oplosmiddelen worden toegepast in tegenstroom. De voeding wordt in het midden van de to-ren ingevoerd. Aan het beneden einde van de toto-ren ontdoet de inkomende propaan de uitgaande kresolstroom van paraffinische koolwaterstoffen. Aan de bovenkant wordt de p~opaanstroom van aromaten ontdaan door kresol.

4.

Fenol, kookpumt 182°C. B~ dit proces wordt aan het extract water toege-voegd. De oplosbaarheid van de paraffinen neemt dan af. Ze scheiden zich af van het extract.: het pseudo-raffinaat. T~dens de zuivering van het extrac-tiemiddel onstaat er een water-fenol damp. Fenol wordt hieruit terugge-wonnen door absorptie in de inkomende voeding.

Het hoge smeltpunt van fenol is een nadeel.

3.Keuze van het extractieproces.

Voor de bereiding van een goede smeerolie ,uit een zwavelr~ke aardolie is de extractie het belangr~ke punt. Voor een extractieproces kan worden gekozen moet eerst de aard van een zwavelr~ke olie bekeken worden.

Het percentage zwavel in ruwe olie varieert van 0,1-0,2% in soorten uit Penn-sylvanië en het Midden-Oosten tot 3-5% voor olies uit Californië en de Sowjet-Unie. Een groot gedeelte van de zwavel zit in de harsachtige componenten. Een totale verwijdering van de zwavel is niet noodzakelijk. Er bestaan goede stabiele smeeroliën met een hoge V.I. en een goede kleur, terw~l het zwavel percentage toch aanzienl~k is.(lit.5). Dit soort smeeroliën wordt verkregen met bovengenoemde extractieprocessen. Een belangrijke bijkomstigheid van zwavel-rijke aardoliën is de aanwezigheid van stikstofverbindingen. Ondanks hu~ela­ tief geringe percentage hebben deze verbindingen een slechte invloed op de kwaliteit van de olie. Ze kunnen ook aanleiding geven tot vliesvorming op de olie. Een andere onaangename eigenschap van de zwavelr~ke aardolie is het hoge percentage asfaltenische en harsige materialen. Dit komt vooral voor in het residue. De oplosbaarheid van deze componenten is 'verschillend voor de gebruikte extractiemiddelen.

Wordên de drie meest gebruikte extractieprocessen met elkaar vergeleken, dan vinden we,dat het fenol.en de furfural-proces elkaar niet veel ontlopen.(lit.6)

.~

Het'duosol-proces wordt speciaal toegepast op residuen. Dit proces wordt verder buiten beschouwing gelaten. We willen nl ook destillaat oliën verwerken.

Een nadeel van het fenol-proces is de hoge smelttemperatuur van ~et extractie-middel. Verschillende leidingen moeten daarom worden voorzien van stoommantels. Een ander nadeel is het lage soortel~ke gewicht. Dit kan moeil~kheden geven b~

de

sJ~iding

van de fasen

b~

de extractie.

Een nldeel van furfural is de ontleding die

~ptreedt

met luchtcontact. De olie

~ 1\'\

moet eerst worden ontlucht. ~t~'

Wat betreft de extractie van zwavelhoudende fracties is het volgende bekend

(lit.7):

Fenol extraheert in hoofdzaak harsen van een lager molecuulgewicht. Deze harsen z~n gekarakteriseerd door een hoog soortel~k gewicht, een hoog zwavelgehalte, een hoog stikstofgehalte,een hoog zuurstofgehalte en een laag waterstofgehalte. Harsen met een lager gehalte aan stikstof, zuurstof en zwavel en een hoger water-stofgehalte blijven in het raffinaat. Furfural extraheert minder harsige ver-bindingen.

De ver~dering van stikstof geschiedt het beste door fenol-extractie. De selec-tiviteit van fenol voor stikstofverbingen is erg groot.

Op grond van bovenstaande gegevens werd besloten fenol als extractiemiddel te kiezen voor de verwerking van zwavelhoudende fracties tot smeerolie.

Als voorbeeld worden enkele eigenschappen gegeven van een smeerolie,die gemaakt is uit een zwavelhoudende aardolie met fenol-extractie:

soortelijk gewicht viscositeitsindex stolpunt percentage zwavel 0,885 86 _20oC

0,94% .

0 . .

III.Het fenol-proces.

1.Fysische achtergrond.

De volgende factoren zijn van belang voor de opbrengs~an raffinaat: 1e. de werktemperatuur.

2e. de verhouding van de hoeveelheid oplosmiddel tot de hoeveelheid te behande-len olie.

3e. de wijze waarop het contact tussen de olie en het extractiemiddel tot stand wordt gebracht.

Hierbij kan het volgende worden opgemerkt:

ad 1p De werktemperatuur is naar beneden toe begrensd door de smelttemperatuur.

In verband hiermee is ae laagste temperatuur in dit proces 40oC.

Bij de extractie bestaat er een temperatuurgradiënt in de extractiekolom. Een températuurverandering verandert het gebied waarin de twee fasen

bestaan-baar zijn. Door temperatuurverhoging wordt dit gebied kleiner. De tem-peratuur wordt aan de raffinaatkant nu hoger gemaakt dan aan de extract-kant. In het eerste geval neemt de selectiviteit van het inkomende extrac-tiemiddel af. Het oplossend vermogen is maximaal. Aan de extractkant is de temperatuur laag. Hier wordt de selectiv~teit het best benut.

° ad 2. Vermeerdering van de hoeveelheid fenol leidt tot hetzelfde als

temperatuur-verhoging: een betere kwaliteit maar een kleinere opbrengst. In de practijk variëren de volumeverhoudingen fenol:olie van 1:1 tot 2,5:1 (lit.8) resp. van 2:1 tot 4:1 (lit.9).

ad 3. Tegenwoordig wordt ale en gebruik gemaakt van de tegenstroom extractie. Deze methode geeft de beste opbrengsten en de beste stabiliteit van de smeerolie (lit.10).

Met droge fenol kunnen geen grote opbrengsten worden verkregen aan raffinaat. Daarom wordt aan de onderkant van de extractiekolom, dus waar het extract de kolom .

__

.

_ .

-verlaat, water toegevoegd. Onderzoekingen hebben aangetoond dat als er aan het extract water wordt toegevoegd er zich een nieuwe fase afscheidt (lit.11). Wordt er veel water toegevoegd dan ontstaat er nog een derde fase. Deze bestaat

i bijna geheel uit water met wat fenol. Ook de kwaliteit van het pseudo-raffinaat

vermindert als er veel water wordt toegevoegd. Er is een bepaalde gunstige hoe-veelheid water, afhankelijk van de aard der voeding. Ze bedraagt meestal 10% van het volume fenol dat bij de extractie gebruikt wordt.

2.Flowsheet.

·"

De hieronder gebruikte letters en getallen hebben betrekking op de gebruikte flowsheet (zie bijlage).

Hieronder volgt een beschrijving van een fenol-proces (lit.12):

De te behandelen olie wordt opgewarmd door een warmtewisselaar (A) en een lage drukstoomverhitter (B). De voeding (1) komt hierna in de absorber. Ze ontmoet hier stoom-fenol dampen (4,5) uit het systeem. De fenol wordt in de voeding

op-genomen. De voeding wordt dan naar de extractietoren gepompt(2). Het uitlaatgas bevat minder dan 0,3% fenol (3). De temperétuur in de absorber wordt op 1200C gehouden. Er kan daardoor geen stoom condenseren. Er komt dus ook geen extra

~J. ~~

-water in het systeem.

D~ voeding (2) wordt eerst gekoeld (C). De voedingsplaats in de extractiekolom hangt af van de aard der voeding. De olie komt als de discontinue fase in de ko-lom. Ze stijgt in druppelvorm naar boven. Op een hoogte van 70% van de toren gaat

~

olie

i~ <?~inu~as,~er.

~

-De extractiekolom bevat 19 gepakte schotels. Droge fenol komt aan de top van de ~~

toren binnen (7). Fenolisch water ~in gecontroleerde hoeveelheid aan de bodem van de toren bin~ ( 8) • ---.

-~--De werktempera.turen hangen af van de teybehandelen oliën. Voor destillaten is de toptemperatuur 600C, voor residuale oliën 1100C. De bodemtemperaturen bedragen

.

..

o 0

40 resp. 70 C.

De raffinaatoplossing (9) vloeit naar een opslagtank (T-2). Ze bevat 20% fenol.

Via ee~armtewisselaar (F) en een voorwarmer (I) wordt de temperatuur opgevoerd

tot 2900C. Het raffinaat komt vervolgens in de verdampingssectie van de raffinaat toren. Door evenwichtsdestillatie wordt het fenolgehalte teruggebracht op

4%.

Het raffinaat (11) stroomt dan in de stripper. De fenoldamp (12) wordt geconden-seerd in de warmtewisselaar (A). De fenol wordt daarna afgevoerd na:r een opslag~

tank (T-3).

In de stripper wordl,t het raffinaat ontdaan van de laatste hoeveelheid fenol. Dit gebe~rt door stoomstrippen. De druk in de stripper is ca 0,74 ata. De

stoom-fenol dampen (15) worden gedeeltelijk gecondenseerd in een partiële condensor (M). De vloeistof stroomt in een tank (T-4). De druk in de stripper wordt

gehand-~ haafd d00r een ejector. De fenolwaterdamp verdwijnt via deze ejector naar de absorber (28)'. In de condensor wordt het grootste gedeelte van de fenol tot vloeistof gecondenseerd, het water verdwijnt voor het grootste gedeelte als gas. Het gestripte raffinaat (13) bevat niet meer dan 0,001% fenol.

~e+Wordt

via een warmtewisselaar (F) en een koeler (D) naar een opslagtank gevoerd.

Het extract dat uit de extractietoren komt (10) stroomt in een opslagtank (T-1). Uit deze tank wordt het extract naar de fenoldroogtoren gepompt. Het extract

• J

wordt op temperatuur gebracht in een warmtewisselaar (G). Het extract bestaat uit 85% fenol, 8% water en 1% extract.

In de fenoldroogtoren wordt alle water verdampt. Het gasmengsel (19) heeft de

volgende samenstelling: 89% water en 11% fenol. Het gedroogde extract (18) wO~dt in de fenolverdampingstoren gepompt. De droogtoren heeft een reflux (20). '

-

-

-

--Fenol kan uit het bovengenoemde gasmengsel niet worden teruggewonnen door destil-latie. Daar er meer water onstaat dan er nodig is voor de procesvoering moet de fenol op een andere wijze uit het gasmengsel gehaald worden. Men laat nu de

over-maat verdwijnen via de absorber.Een gedeelte van het gasmengsel gaat naar de \ ~ t~,

absorber (5) , de rest wordt gecondenseerd (I).Vanuit d~ koele~om~~loei- ~~ stof in een ta.I1~(T-5). Uit deze tank wordt de reflux (20) gehaald. Ook het

water,dat nodig is voor de extractie,wordt uit deze tank onttrokken (8).

Het gedroogde extract komt in de verdampingssectie (18). De druk bedraagt hier 2,1ata. De inkomende stroom komt in contact met warme opstijgende fenoldampen. Deze fenol (22) staat haar warmte verder af in twee warmtewisselaars (HenG) en een koeler (J).

De warmtewisselaar H zorgt ervoor dat de benodigde warmte voor de verdampingkan water in de droger komt.

Onder de verdampings toren word teen gede e 1 te van het extrac t af getapt', he t wo rd t door een voorwarmer (rr) geleid. Het extract wordtdaar tot 35000 opgewarmd. De ver-warmde vloeistof (22) wordt weer in de verdamper teruggebracht. Hier ontspant de vloeistof zich. Het extract uit de verdampingstoren (23) vloeit vandaar haar de stripper. Deze werkt onder dezelfde omstandigheden als de raffinaatstripper. Het fenolgehalte in het verkregen extract (24) bedraagt hier 0,005%. Het extract wordt nog gekoeld (K).

Opgemerkt wordt dat alle warmte,die nodig iS,voor het verdampen van water,wordt verkregen door de condensatie van fenoldamp.

De opbrengsten die op een dergelijke wijze worden verkregen wisselen van 90-85% (lit 12) tot 75-50% (lit.n).

WU,J

Ll~

l,)

\tLt)vll

~?, Iw~~v;-r.I~. ~'Io l~ I~)

M{-(V\~1~ ~/~';"lIru ~~

,

3.Grootte en plaats van het extractieproces.

~ Voor de productie van smeeroliën met het fenol-proces vinden we de volgende waar-den in de literatuur:

*)

33.500 B.P.D. in 11 fabrieken (lit.14) 66.500 B.P.D. in 19 fabrieken (lit. 4)

.~

De gemiddelde hoeveelheid die deze fabrieken produceren bedraagt ongeveer 3.500 B.P.D. Dit komt overeen met een produktie van 500 ton/olie per dag (s.g.=0,9). Bij de berekening wordt van deze grootte uitgegaan. Wordt de fabriek groter opgezet, dan wordt de uitvoering moeilijker in verband met de afmetingen van de apparaten.

Een fenolextractie fabriek wordt gebouwd in de buurt van een raffinaderij. Een

r~)inaderij kan praktisch overal gebouwd worden. De beste plaats voor de bouw . is'VIiep water. Er kan dan gebruik gemaakt worden van het goedkope

watertrans-port.

De verliezen aan oplosmiddel zijn klein. Ze bedraagt ongeveer 0,03% van de hoeveel-heid oplosmiddel die in omloop is. Het verlies is een functie van het ontwerp en de ouderdom van de fabriek. Het verlies aan fenol door het uitlaatgas be-draagt ongeveer 1/5 van bovengenoemd verlies.

IV.Berekeningen.

1.Gebruikte rekengrootheden.

Voor de berekening van de energie- en de massabalansen worden de stofstromen in vier componenten gescheiden: fenol, water, extract en raffinaat. Voor de bereke-ning van de balansen zijn verschillende fysische grootheden nodig.

Voor berekening van de soortelijke warmte van olie wordt gebruik gemaakt van de formule (lit.15):

s.w. 0,425 + 0,90(t-15) •••••••••••••••••••••••••• (1)

V~~J,~~~

3

Voor de onbehandelde olie wordt een soortelijk gewicht van 900 kg/m aangenomen.' Voor het extract en het raffinaat vinden we 975 kg/m3 en 885 kg/m3 (zie later). Bovenstaande formul~ gaat dan over in:

Onbehandelde olie s.w.

o

=

0,447 + 0,90(t-15) Raffinaat s.~.r 0,452 + 0,90(t-15)

Extract s. w.

e 0,431 + 0,90(t-15)

Voor water wordt als soortelijke warmte aangenomen: vloeistof: 1 kcal/kg oe gas 0,48 kcal/kg oe

De soortelijke warmte van de vloeibare fenol bedraagt bij 15°C 0,35 kcal/kgOe. Voor het verloop van de soortelijke warmte van f·enol met de;temperatuur werd een vergelijking gemaakt met het verloop van enkele gesubstitueerde benzeenrin-gen. De soortelijke warmte van vloeibaar fenol wordt dan bij 1800e op 0,50 kcal/ kgOc gesteld. De waarde van de soortelijke warmte van' de fenoldamp wordt bij ,150°C op 0,45 kcal/kgOc gesteld.

Voor de verdampingswarmte van water worden de waarden gebruikt ,die voorkomen in de International steam Tables (1934).

De verdampingswarmte van fenol bedraagt bij 182°C (lit.16): AH = 122 kcal/kg.

v

Voor de berekening van de verdampingswarmte bij andere temperaturen wordt van de volgende semi empirische relatie gebruik gemaakt (lit.17):

LJ H =LJH' (1-T )°,3 8 / (1_']')°,38 ••••••••••••••••••••• (2)

v v r r

T

=

gereduceerde temperatuur

=

T/T_k ·t· h

r r l lSC

T _{kritisch fenol -}- 4190e

De dichtheid van vloeibare fenol wordt berekend uit de formule:

.()=4 +

10-~(t-t)

+

10-~(t_t)2

+ 10-/9 (t_t)3

d _s

=

1,04

6( -0,86

;S

+0,09

t

=

-1,90

Voor de berekening van de dichtheid v.an een gas wordt gebruik gemaakt van de formule:

•.••••••••••••••••••••••••.•••• ( 4) , Hierbjj is dus aangenomen da.t het gas zich ideaal gedraagt.

Voor de waarde van 1 van fenol vinden we bjj

OOd

en 1 ata: 94 g/ 22,4 dm3

=

4,19 g/dm3 •

Het verloop van de dichtheid van de olie met de temperatuur werd bepaald met de grafieken in literatuur 18.

Het kookpunt

va~

de olie wordt op 4000C gesteld, het molecuulgewicht op 500. De energiebalansen worden berekend op een temperatuur van 30oC. De warmte inhoud van een stroom wordt dan als volgt berekend:

W = massa x s.w. x (t-30) W

=

warmteinhoud

... ' ... (5)

s.w.

=

gemiddelde soorteljjke warmte tussen tO en 30oC.

2.Berekening massabalansen. ~

De hoeveelheid olie, die de fabriek moet verwerken bedr~agt zoals reeds is , , t . . .

-aangegeven 500ton/dag. Dit komt overeen met 5,780 kg olie/sec. Stel dat de ölie van het residuale type is. Het soorteljjk gewicht wordt op 900'kg/m3 gesteld.

De

v91~estroom

bedraagt dan: 6,430 dm3/sec. Als opbrengst

~an

raffinaat wordt

85% van de voeding genomen (III-1). De hoeveelheid raffinaat .en extract bedra-gen dan 5,465

dm3/se~

resp. 0,965 dm3/sec. Het soorteljjk gewicht van het raffi-naat

wordt'b~

15°C op 885 kg/m3 gesteld. We vinden dan het soorteljjke gewicht van het extract uit:

5,465 x' 885 + 0,965

x~e ~ 5,780~~

/ e = 975kg/sec

De hoeveelheid raffinaat, die verkregen wordt is 4,840 kg/sec; de hoeveelheid .~ extract bedraagt 0,940 kg/sec.

De hoeveelheid fenol,die door het raffinaat uit de extractiekolom wordt meege-voerd bedraagt 20% van deze stroom. Dit is dus ,1,210 kg/sec. De hoeveelheid in de extractstroom is 85% of 11,400 kg/sec. De hoeveelheid water in de laatste stroom is

8%

of 1,070 kg/sec. De laatste hoeveelheid wordt als een water-fenol mengsel met 11% fenol ingevoerd. De hoeveelheid fenol bedraagt dan 0,133 kg/sec. We kunnen nu ter- controle de verhouding van de hoeveelheid fenol töt de voeding

De verhouding bedraagt (volume):

(1,210 + 11,400)/1,04 x 1/6,430 = ca 1,8. Dit stemt dus overeen met bovengenoemde verhoudingen.

De raffinaatstroom uit de fenolverdampingstoren bevat 4 % feno~f 0,205 kg/sec. De fenolstroom/die als gas de verdamper verlaat heeft dus als grootte(1,210-0,205) 'kg/sec= 1,005 kg/sec.

Het raffinaat, dat de stripper verlaat, bevat practisch geen fenol. De fenol-water stroom, die boven uit de stripper komt bevat naast water dus 0,205 kg fenOl/sec. Een schatting van de hoeveelheid water in de laatste stroom kan op de volgende wijze wo~den gemaakt. De hoeveelheid fenol in het uitlaatgas van de absorber is

" .

0,3% van het geheel. De totale hoeveelheid fenol, die verloren gaat is 0,03% van de hoeveelheid fenol, die circuleert. Hiervan verdwijnt 1/5 door het uitlaat-gas. Op deze gegevens is het mogelijk om de hoeveelheid water te berekenen , die ver dwijnt door de absorber. We vinden voor deze hoeveelheid: 0,260 kg/sec. Stellen we de hoeveelheid stoom die nodig is voor de ejeë~9ren op een klein bedrag, dan moet de eerste hoeveelheid water verdeeld worden over beide strippers. De ex-tractstroom die naar de stripper gaat bevat 4% fenol. Als we aannemen dat de fenol verwijdering in beide kolommen tot op dezelfde hoeveelheid fenol in de stroom wordt voortgezet, dan kunnen we de hoeveelheden stoom berekenen, die voor beide kolommen nodig is. We vinden voor de raffinaatstripper een bedrag van 0,215 kgf sec. Dit bedrag wordt later gecontroleerd.

De 'fenol-water damp uit de strippers wordt gedeeltelijk gecondenseerd. De gehe-le hoeveelheid kan niet worden gecondenseerd daar dit condens in de droogt oren weer verdampt moet worden. Aan deze toren wordt echter een beperkte hoeveelheid warmte toegevoerd, zodat er een maximale hoeveelheid water is,die verdampt kan worden. De fenol-water damp komt in een partiële condensor. Hierin wordt de meeste fenol gecondenseerd, het.water verdwijnt als gas. Het laatste is ook een reden om niet volledig te koelen.

Voor de berekening van de massastromen wordt er gesteld dat een A-de gedeelte van het water en een B-de gedeelte van het fenol wordt gecondenseerd. Voor de duidelijRheid van het geheel zal 'nu eerst met een energiebalans A en B berekend worden •

..3

Z.Fenoldroogtoren.

De grootte van de getallen A en B hangt af van de hoeveelheid water die in de droogtoren verdampt kan worden. Het water verlaat deze toren in een gasmengsel, waarin zich 11% fenol bevindt. Zoals blijkt uit het opgenomen x-ij diagram (lit.19)

kook-'1

temperatuur. Voor de samensteliing 4

Van de extract stroom is

dit~'

De invloed

van de extractolie.wordt verwaarloosd. Het extract verlaat de toren op een tem-. ?

peratuur van

182oC. Dit is de kooktemperatuur van fenol. De reflux is

0,25.

Ze

~

I

o ~

heeft een temperatuur van

40

C. Een te grote reflux zou te veel warmte vereisen. ~

- 0

b~

Het dampmengsel verlaat de toren met een temperatuur van

100

C. \~

We kunnen nu de volgende massa- en energiebalansen opstellen:

olie warmte in

0,940 x 0,48 x (103-30)

33,0

kcal/sec warmte uit

0,940

x

0,51

x

(182-30)

= 72,5

kcal/sec

water De invoer bedraagt

(1,070

+

0,260A)

kg/sec. De hoeveelheid water, die als gas verdw~nt is

5/4 x (1,070

+

0;260A)

kg/sec

= (1,337

+

0,3 25A)

kg/sec.

warmte in

1,070

x

1

x

(103-30)

0,260Ax 1

x

(103-3 0)

warmte uit

1,337

x

539

1,337

x

1 x 70

f;j

80,9

kcal/sec

19,65A

kcal/sec totaal

812,5

kcal/sec.

0,325A x 539

0,325A

x

1

x

70

totaal

197,75A

kcal/sec verschil

(731,6

+

178,1A)

kcal/sec

fenol De hoeveelheid fenol, die wordt ingevoerd bedraagt

(11,400 +0,245B)

kg fenol /sec. Uit de hoeveelheid water}die over de top gaat kunnen we de hoeveel-heid fenol berekenen die meegaat. Hieruit berekenen we dan weer de hoe-veelheid fenol, die in de reflux zit. De hoehoe-veelheid fenol, die de toren via de bodem verlaat vinden we dan uit een massabalans over het gehele apparaat. De warmteinhoud van het fenolgas wordt berekend door het gas eerst tot 182°C op te warmen, bij die temperatuur te condenseren en de vloeistof af te koelen tot

30

oC. Uiteindelijk vinden we:

warmte in

(3 24,1 +

0,030A

+

7,OB)

kcal/sec warmte uit

(748,0 +

3,91A

+ 15,7B)

kcal/sec verschil

(4 24,7

+

3,88A + 8,7B)

kcal/sec

.... ;

Tellen we nu de drie verschillen op,dan vinden we de hoeveelheid warmte die aan de toren moet worden toegevoerd:

W = (1195,8 + 182,OA + 8,7B) kcal/sec ••••••••••••••••••

(6)

Deze warmte wordt geleverd door de condensatie van fenol gas. De condensatie vindt plaats bij 2230C en een druk van 2,7 ata. De verdampingswarmte wordt met (2)

berekend. Deze bedraagt 113 kcal/sec •

Stel dat er 11,400 kg fenol/sec condenseren. De condensatie levert aan warmte op:

11,400 x 113 kcal/sec = 1290,0 kcal/sec •••••••••••••••• (7)

Stellen we (6) gelijk aan (7), dan vinden we: 182,OA+ 8,7B

=

94,2 kcal/sec.

Verder moeten de waarden van A en B zodanig zijn, dat na bérekening van de stof-stromen van de partiële condensors de gas en de vloeistofstroom met elkaar in evenwicht zijn. Hiervoor gebruiken we het eerder genoemd x-ij diagram. Dit diagram geldt voor'1 ata, terwijl de koelers werken bij een druk van 0,74 ata. Het kook-punt van water ligt bij die druk op 93°C, dat van fenol op 1730C. Hieruit bltkt dat de fout die zo gemaakt wordt klein is. Het azeotroop kookt bij deze druk bij 93°C.

r---,~ Na enig proberen vinden we voor de waarden van A en B: A

=

0,474

B 0,910

Met bovengenoemde waarden kunnen we nu de hoeveelheid fenol berekenen die de droogt oren bij de bodem verlaat. Deze is 11,475 kg/sec. De hoeveelheid, die verdampt in de verdamper is (11,475 - 0,040) kg/sec

=

11,435 kg/sec, 0,040 is de hoeveelheid fenol, die in het extract blijft zitten.

Met deze waarde kan bovenstaande berekening herhaa.ld worden. De warmte verkregen door de condensatie wordt nu:

11,435 x 113 kcal/sec •••.••••••••••••• ( 8 )

Stellen we (6) gelijk aan (8'), dan kunnen we A en B' berekenen: A 0,491

B 0,910

We vinden nu voor de stroom, die door de warmtewisselaar komt 11,434 kg/sec. Dus de bovenstaande waarden van A en B kunnen voor de berekening van de massa-balans gebruikt worden.

,Een bepaling van de hoeveelheid stoom die door de ejectoren in het systeem wordt gebracht kan als volgt worden gedaan:

De hoeveelheid word~ berekend met de wet van de onelastische botsing (lit.20):

,,-.' "',.; 'i

P

m1 v 1 +

.P

_{m2 v 2} = ~ m3 v 3 ••.••••••••••••••• : •••••••••••••• ( 9 ) , , Verd.er is

I

_m 1

+~2

=/m

3

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• (

1 0) We nemen voor v 1 de geluidsnelheid, ca 300 m/sec. v 2

=

11· m/sec v 3

=

25 m/sec Uit het bovenstaande volgt dan:

f25m1

=

0,05

Pm2

Hieruit vinden we voor de hoeveelheden stoom

Het

voor de eerste ejector S1 voor de

t

eede ejector S2 ~ rendemen~agt ~_ 1

=

0,024 kg/sec S2 = 0,005 kg/sec' 0,006 kg/sec

=

0,001 3kg/sec

De totale hoeveelheid stoom door de ejectors is dus klein vergeleken met die van'de strippers. De benadering van de hoeveelheid stoo~ voor de strippers is dus wel geoorloofd.

Voor het verlies van fenol in het uitlaatgas wordt een suppletie van 0,005 kg fenol/sec gegeven.

De andere massastromen in het ,systeem zijn nu gemakkelijk te berekenen. De groot~

te van de stromen is opgenomen in tabel I.

&1

i.Berekening van de temperaturen in het systeem.

.

'

, 0

Het raffinaat, dat uit de extractietoren komt heeft een temperatuur van 110 C. De gewichtssamenstelling vinden we in tabel I. De warmteinhoud wordt dan:

4,840 x 0,50 x (110-30) 1,210 x 0,39 5x( 110-30)

193, 5 kcal/sec 38,3 I I totaal 231,8 kcal/sec

Het raffinaat wordt dan door een warmtewisselaar (F) en een voorwarmer (I) opgewarmd tot 290°C. De warmteinhoud is da.n:

4,480 x 0,58 x (290-30) 1,210 x

O,47 5

x (290-30)

=

730,0 kcal/sec 149,8 I I ; ' r

9

~.

A.r&M_rJM. ' totaal 879,8 kcal/sec

l-In de verdampingstoren ontspant sec vrij, de temperatuur hiervan

het mengsel zich. Daarbij komt 1,005 kg fenol/ is tOC. Het oliemengsel loopt onder uit de toren. De temperatuur van dit mengsel is ook tOC.

Uit een energiebalans vinden we de waarde t: warmte uit

.,' 4,840 x 0,57 x (t-30) kcal/sec 16l. 1,005 x 0,45 x ( t-)Q.)

,

,

1,005 x 122

'

,

1 ,005 x 0,42 5x (t-30) , t warmte in 879,8 kcal/sec

Door gel~kstelling van de twee warmten vinden we de temperatuur waarb~ de even-wichtsdestillatie optreedt~

o

t

=

261

c.

De verschillende soortel~ke warmten, die z~n gebruikt voor de berekening moeten

o

genomen z~n voor een temperatuur van 261 C. Men moet dus enkele keren proberen om het goede antwoord te vinden.

Het raffinaat valt vervolgens in de stripper. De druk 'hierin is 0,74 ata. Er

kg stoom/sec met

,

°c

wordt 0,216 een temperatuur van t ingevoerd. Als we de temperatuur van de uitgaande fenol-water damp op 2610C stellen, dan k;unnen we als op bovenstaande w~ze weer een energiebalans opstellen. De uitgaande

raffi-'0

naatstroom heeft een temperatuur t C. We vinden:

t' ~oC.

De warmteinhoud van het raffinaat bedraagt b~ deze temperatuur 614,1 kcal/sec. Het raffinaat gaat door een warmtewisselaar (F). Stel dat het raffinaat da-ar

. 0

afkoelt tot 140 C. De warmteinhoud is dan:

4,840 x 0,51 5 x (140-30) kcal/sec = 274,1 kcal/sec. De hoeveelheidwarmte, die het onbehandelde raffinaat opneemt is dan:

614,1 - 274,1 kcal/sec

=

340,0 kcal/sec. De totale warmte inhoud van die stroom wordt dan:

340,0 + 231,8 kcal/sec

=

571,8 kcal/sec.

;De temperatuur, die het raffinaat nu heeft verkregen wordt als volgt berekend: Voor elke graad boven de 300C is een warmtehoeveelheid nodig van:

1,210 x s.w·_{f eno} 1 + 4,840 x s.w. _ra ff" t kcal

~naa

Als we voor de soortel~ke warmten de waarde b~ 1800C invullen, dan vi nden we voor de temperatuur van het onbehandelde raffinaat:

t = 1820C

We weten nu ook de hoeveelheid warmte, die in voorwarmer I wordt opgenomen 879,8 - 571,8 kcal/sec = 308,0 kcal/sec.

o

Het raffinaat wordt in wate~koeler D tot 60 C afgekoeld. De warmteinhoud b~

die temperatuur is 69,5 kcal/sec. De hoeveelheid warmte die de koeler afvoert is dan:

274,5 -69,5

kcal/sec =

205,0

kcal/sec.

De andere temperaturen in het systeem kunnen op bovenstaande wjjze bepaald worden. De temperaturen en de warmteinhouden zjjn verzameld in tabel I.

t"lE I !() I '11

,

S

1 L 0'

,

,---I

I :

-SP,I '1

1

S

/lé~_ bllt/p. Ir .s7~1J1 'I I Ä R,fF,cI#-9.fr. WE/J/-vy . 3 IS JTIiI,P 110· JD.f. 8E{ I I

~~--:-I- f:--~- ----~I

l='- - - - - - ..J I I ~o

I,

I

r~1

ZJ. "cl' 1.('1 I. : /)/{00tj.

I

1 ,

IJ:

₁

I ,:

I

~ ~

_J

1

~-I 11' 1 1L I I I I ' I 1 I

l~®1

J I 1,.;- 0 1 1 ~

____

~~

________ -r ______

~2~~ ______

r-______

~~

____

+-__

~~~~I~'~r I Î -_J , ---~ /0

- -

-,r---~c

FENOL. I I I I I I , I

- - -

-~-

- - Î

-j----' :

r---

J . --0- -'

4l

Lg Pl ''''pp

,

'7

JVJo

,

I k

~

+

EX7($CT

.sll':Ello/.lE E1(T~ /ler/I:

q .( ...

- c ~lIrr. --~

₌

E>(T~#CT

. _ :: Fé'IVO~

TABEL I stroom 1 2 _{3 4 5} 6 ₇ 8 9 10 11 12 13 14 15 16 raffi- 4,840 4,840 4,840 4,840 4,840 naat extract 0,940 0,940 0,940 0,940 water 0,289 0,161 0,128 0,a28 1,070 1,070 0,216 0,216 1 ,198 ~ fenol 0,033 0,005 0,022 0,016 0,223 1 2 , 444 0, 1 33 _{1 ,21}

°

11,400 0,205 1,005 0,205 11 ,623 t;~;mte- 0,0 265,1 179,5 102,8 80,6 13,5 418,7 11 ,2 231,8 233,4 660,4 219,4 614,1 147,1 193,4 246,9 inhoud 185,4 35,3 571,8 34,0 274,5 450,8 261,2 879,8 118,7 tempera- 30 121 120 121 100 93 115 40 ₁₁

°

70 261 261 252 252 261 71 tuur 96 43 182 _~ 115 140 103 120 290 60 --- f\) 0 stroom 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 extract 0,940 22,580 0,940 0,940 water 1,447 0,299 0,044 0,044 1,369 0,110 0,022 0,024 0,005 0,106 fenol 10,600 11,4740,185 0,036 11 ,280 11,434 0,040 0,040 0,169 0,018 0,004 0,187 warmte- 1961,0 809,9 938,0 3,1 4441,4 2276,5 149,8 140,1 30,8 40,5 857,0 85,7 17,1 16,5 3,1 11 ,2 inhoud 6060,8 982,5 22,1 _14,3 778,6 tempera:;':.:, ,182 182 100 40 285 223 300 292 292

300~

100 121 121 250 250 93 tuur 350 223 80 40 166

De massastromen z~n uitgedrukt in kg/sec, de warmteinhoud in kcal/sec, de 'temperatuur ~n

' °c

•

-.'

V.Grootte en keuze der apparatuur. 1.Berekening van de warmtewisselaars.

Als voorbeeld 'zal hier de warmtewisselaar A berekend worden. In deze warmte-wisselaar wordt fenol gecondenseerd (12) en de inkomende voeding opgewarmd (1). De formule, die gebruikt wordt om het oppervlak uit te rekenen van de warmte-wisselaar luidt: A =~/ U .tJ T ••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•• (11) ~ 2 A benodigd oppervlak (m ) U

=

warmteoverdrachtscoëfficiënt (J/m2secoe) 4T = logarithmisch temperatuurverschil

?'"

=

warmtestroom (J/sec)

De omrekening van kcal/sec naar J/sec vindt plaats door vermenigvuldiging met het getal 4190.

De berekening van de warmtewisselaar vindt plaats in drie trappen: 1e.afkoeling van het gas.

De temperaturen van de verschillende stofstromen worden

p:lh

t.

gevonden in tabel I. We kunnen nu het logarithmisch

tempe-L

ratuurverschil berekenen: L1 T = 159°C. Daar het verschil

~---.~ ~o geldt voor zuivere tegenstroom, wordt nog een correctiefaé~or

/fJ,l bepaald (lit.21). We vinden dan voor4T = 157°C. De warmte overdrachtscoëfficiënt is

~O

J/m2secoe

(lit.~).

Worden deze waarden ingevuld in (11),dan vinden we voor het warmte uitwisselende oppervlak:

2e.condensatie. 2 A 1

=

~ m •

r'w.=

122,7 kcal/sec ~ 515.000 Jpsec LlT = 118°C U

=

600 J/m2secoC

We vinden voor het oppervlak:

2 A

2 =

LJ..

m •

3e.afkoeling van he-t' ,gas-.

~\-//oS' ~~

=

30,9 kcal/sec AT 86 oe / 2 0 U 70Q.J m sec ,e 129.500 J/sec

We vinden voor het oppervlak:

2

A3

=

2,4 m •

Het totale vereiste oppervlak bedraagt 51,5 m-(2

*)

i

= 31,8 kcal/sec' = 134.000 J/sec

"

Dit oppervlak wordt geboden door de pijpen in de warmtewisselaar. De condensatie van de fenol vindt buiten de pijpen plaats. De voeding gaat door de pijpen heen •

. Er is een goede

warmteoverdr~cht

als#e snelheid van de vloeistof in de

p~pen

een bepaalde waarde heeft. Deze bedraagt voor pijpen met een binnendiameter van 25 mm en een buitendiameter van 32 mm 600 dm3/uur of groter. Uit de hoeveelheid olie die de warmtewisselaar binnenkomt, kunnen we aantal benodigde pijpen bere-kenen:

volumestroomluur

600 dm3/uur

=

aantal pijpen{25/32).

In dit geval vinden we 39 pijpen. Het oppervlak van deze p~pen bedraagt per meter 0,0785 m2/m • Hieruit berekenen we het oppervlak dat 39 pijpen bieden:

39 x 0,0785 m2/m =

~

m2/m.

Kiezen we delengte van de (warmtewisselaar op~, dan moet de stroom 51,5 ( 4 x 3,06 )

=

ca 5x omkeren.. Het aantal pijpen in de bundel bedraagt

~ 5 x 39 =

.12.2.

De diameter van de warmtewisselaar wordt berekend met de volgende formule:

D

1 m x t ... " . . . • . . . (12)

D

1

=

diameter van de bundel

m = factor, die afhankel~k is van het aantal pijpen. De p~pen

worden opgeborgen in een bepaald systeem.

= steek, dit is de afstand tussens de middens van twee

p~pen. De steek heeft de grootte van 1,4x de uitwendige diameter.

Voor het bovenstaande geval vinden we voor de diameter D

1

=

14,25 x 45 mm

QQ

mmo De uiteindelijke diameter wordt gevonden door bij het laatste getal een aantal toeslagen op te tellen o.a. voor het zetten van schotten. We vinden voor de diameter van de warmtewisselaar A tenslotte ~ m (afgerond).

Bovenstaande berekeningen zijn verricht voor alle warmtewisselaars in het systeem. De gegevens over de warmtewisselaars zijn samengevat in tabel 11.

Als voorbeeld van de berekening, wordt hier d~afmet~ng v~n de voor warmer I bepaald. Aan de raffinaatstroom (9) moet 308,0 kcal/sec aan warmte worden toe-gevoerd·. De tempe+,atuur van deze stroom neemt dan toe van 1820C tot 290oC. De vereiste warmte wordt verkregen door de condensatie van dowtherm. De con-densa.tie vindt plaats buiten de p~pen van.de voorwarmer. Voor bovengenoemde

o

oms~andigheden wordt een condensatie temperatuur van 340 C gekozen. De druk in de condensatieruimte is dan 4,92 ata.

lengte diameter tube- aantal aansluitingen

~,

warmte'

?/

wisselaar passes pijpen door 'pijpen buiten pijpen

in uit in uit A ₄ m 0,80 m ₅ 195 0,055 0,060 0,25 0,020 B 1 m 0,60 m 2 90 0,060 0,060 0,070 0,010

c

2,5 m 1,10 m 6 414 0,070 0,070 0,060 0,060 .,j D' _{2 m 1,00 m 8 328 0,050 90,050 0,050 0,050} F ₃ m 1,65 m 12 540 0,050 0,050 0,050 0,050 G 2,2 m 0,85 m ₃ 156 0,080 0,075 0,075 0,075

H*)

3 m 2,25m 2 840 0,510 o,oa~ 0,070 0,735 1,35 m 1-1 1,2 m 0,90 m 1 316 0,100 0,100 0,55 0,030 I-2 1,2 m 0,75 m 3 153 0,060 0,060 0,030 0,030 J 1 ,5 m 1 ,15 m ₄ 4-36 0,100 0,100 0,070 0,070 K 2,0 m 0,65 m 6 102 0,030 0,030 0,030 0,020 1 1,2 m 0,50 m 1 ₇₉ 0,145 0,08G 0,010 0,010 0,011 M 1,2 m 0,75 m 1 272 0,35 0,20G 0,030 0,030 0,011

*)

De grote diameter is met inbegrip van de dampruimte, de kleine slaat op de diameter van de pijpenbundel.

.~

berekenen, als we voor de warmte overdrachtscoëfficiënt een waarde van 500 J/m2seco

c

aannemen:

2

A=n...z2m.

De hoeveelheid vloeistof, die door de 1,210 kg fenol/sec 4,840 kg Olie/sec.

totaal

pijpen gaat (9) is: 1 ,19 dm3/sec

22

6

₂

dm3/sec 6,77 dm3/sec'

Als we een vloeistofsnelheid van 30 dm/sec aannemen, dan is het doorstroomde oppervlak:

2

°

=

0,227 dm •

2

Nemen we pijpen met een maat 16/22 ( inwendige doorsnede 0,021 dm ), dan kunnen we het aantal pijpen berekenen. In dit geval behoeft er nie_t te worden gelet

op een bepaalde volume stroom in de pijpen, zoals in het vorige geval. Door conden-satie wordt een goede warmteoverdracht verkregen. Het aantal pijpen bedraagt:

0,227 : 0,021

=

12

pijpen.

Het oppervlak van dit aantal pijpen bedraagt (oppervlakte per pijp 16/22 0,0503

m2/m) :

13 x 0,0503 m2/m = 0,655 m2/m.

Worden er .2. tube-passes aangebracht, dan vinden we voor de lengte van de voor-warmer:

L

=

27,5 / 5 x 0,655 m = ~ m.

Deze lengte wordt afgerond tot 1 m. De diameter van de voorwarmer wordt weer met vergelijking (12) berekend. De diameter wordt met toeslagen D

=

0,40 m.

De verdampingswarmte van dowtherm bij bovengenoemde omstandigheden bedraagt 58 kcal/sec. Hieruit be~ekenen we de hoeveelheid dowtherm, die gecondenseerd moet worden op ~ kg/sec.

De hoeveelheid warmte, die door extractstroom (21) wordt opgenomen bedraagt 1616,4 kcal/sec. Deze warmte wordt toegevoerd in twee voorwarmers (11 en 111) . . ·De opwarming wordt zo uitgevoerd dat de afmetingen van beide app~raten

dezelf-o

de zijn. Hierdoor wordt stroom (21) in de eerste voorwarmer opgewarmd van 285 C tot 3230C. De warmteopnamce bedraagt 1000 kcal/sec. In de tweede voorwarmer vindt een temperatuurverhoging tot 3500C plaats, de opgenomen warmte bedraagt hier 616,4 kcal/sec. De opgenomen warmte is i, beide voorwarmers niet gelijk. Het logarithmisch temperatuurverschil is in beide apparaten verschillend. Na berekeningen vinden we voor de voorwarmers 11 en 111:

lengte diameter aantal tube-passes 3 m 1,35 m 17

aantal pjjpen verwarming hoeveelheid koel-middel

255

o

dowtherm, druk 11,3 ata en kookpunt 400

c.

33 kg/sec.

2.Keuze en grootte der torens.

a.extractietoren. Een eigenschap, die alle extractieprocessen voor smeeroliën gemeen hebben, is dat de scheiding relatief gemakkeljjk is. Er zjjn hoogstens

5 tot 7 theorethische evenwichtstrappen nodig (lit.24,23). Voor een gepakte toren is het moeiljjk om dit theoretische aantal schotels te bereiken. Men heeft dan een toren van ca 30 m hoogte nodig.

Een van de mogeljjkheden om met een redeljjke lengte dit aantal schotels te ver-krjjgen is de 'rotating disc contactor'.

De rotating disc contactor bestaat uit een toren, waarin

zich een" verticale as bevindt (lit.23). Aan de as zjjn schoepen bevestigd. De as wordt aangedreven door een motor. Aan de wand van de toren zijn statorringen bevestigd. Deze bevinden zich in het midden van de schoepen. Door de draaiende schoepen wordt een van de fasen gedispergeerd.De beste scheiding

wordt verkregen als het extractiemiddel de continue fase is. Het extractiemiddel wordt boven ingevoerd, de voeding beneden. De stromen worden tangentiaal in de richting van de

draai-ende as ingevoerd. De top van de toren doet dienst als settler. Ze is van de extractiezone afgescheiden door een rooster.

Het extract stroomt onder uit de toren. Het wordt hier in contact gebracht met het fenol-water mengsel. Er scheidt zich in de settIetank het pseudo-raffinaat af. Voor de terugvoering van dit raffinaat kan men een kleine pomp gebruiken, maar noodzakeljjk is dit niet. Uit experimenten, die beschreven worden in lit~23, bljjkt dat het scheidende vermogen van een rotating disc contactor met een lengte van

6,5

m beter is'

dan van een gepakte toren met een lengte van 30 m. Juist voor zwavelrjjke fracties is de rotating disc contactor geschikt, omdat deze oliën dikwjjls

ljjkheden geven".

Factoren, die de extractie-efficiëncy beinvloeden zjjn: 1e. snelheid van de rotor.

2e.diameter van de rotorschjjf.

3e. diameter van de opening van de statorschjjven. 4e. hoogte van de compartimenten.

extractie

moei---1::'

---5e. diameter van de kolom.

6e. verhouding van de hoeveelheid oplosmiddel tot de hoeveelheid olie. Enkele van deze factoren zijn ondergebracht in een rekengrootheid:

~.~~~~.

A

=

(snelheid van de rotor)3 (diameter van de rotor)5

~ '\~~~

(hoogte van het compartiment)(diameter van de toren)2 Deze rekengrootheid is evenredig met de energie, die door de as in het apparaat komt. In lit.23 staan enkele grafieken waar de flooding-snelheid als functie van bovengenoemde grootheid gegeven worden. In de verschillende gevallen varieert de verhouding van het oplosmiddel tot de voeding.

Aan bovengenoemde grootheid wordt een waarde van 0,5 ft/sec

3

gegeven. Uit ije grafieken kan dan de flooding-snelheid worden bepaald. De dool:oer~nelheid

wordt op 65% van deze snelheid genomen.

\,fM.,

d'~-- ~

tl \

~os''lt I';(I~ De verhouding van het oplosmiddel tot de voeding is 'in dit geval

ca 2. We vinden dan een doorvoersnelheid van 4 cm/sec~ Uit een massabalans over het bovenstuk van de extractietoren kunnen we de netto hoeveelheid vloeistof berekenen, die naar be~eden gaat. Dit volume is 5,35 dm3/sec. Met een snelheid van 4 ,cm/sec levert dit voor de diameter van de kolom:

D

=

0,41 m.

Uit een tabel (lit.23) waar de maten van enig~otating disc contactors worden gegeven, blijkt dat de diameter van de rotor ongeveer de helft is van de toren-diameter. De diameter van de rotor wordt op 0,20 m gesteld. Het toerental wordt 90 omw./min. Het aantal compartimenten wordt op

22

gesteld. Met de rekengroot-heid kunnen we dan de hoogte van een compartiment berekenen. We vinden voor deze hoogte 0,14 m. De binnendiameter van de stator bedraagt ongeveer 2/3 van de torendiameter, dus 0,28 m. De effectieve hoogte van de toren bedraagt 35 x 0,14 m

=

4,90 m. Voor de settler aan de top en de afvoer ,an de onderkant komt hier ongeveer 1,70 m bij. De totale hoogte vac de toren bedraagt 6,60 m·

Bij de toren behoort een settle-tank. De hoeveelheid vloeistof, die de tank

binnenkomt bestaat uit extract en pseudo-raffinaat. De laatste hoeveelheid wordt op 25% van het extract gesteld (schatting uit de waarde van lit.11). De volume hoeveelheid, die wordt ingevoerd bedraagt dan 17 dm3/sec. Verblijft de vloeistof 15 minuten in de tank, dan heeft deze een inhoud van:

15 x 60 x 11 dm3

=

15,4 m3 •

Bij een diameter van 2 m vinden we een lengte van ca

.2l!!..

b.fenolverdampingstoren voor het raffinaat. Het verwarmde raffinaat moet in deze toren ontspannen worden. De vloeistof stroomt aan de onderkant van de toren

naar binnen. De leiding verwijdt zich tot een schaal. De snelheid van de vloeistof aan het oppervlak is dan klein. De feno]~àaffi~cR.krijgt ruim de gelegenheid om

Y·

te verdampen. Als we de snelheid op 0,05 m/sec stellen, wordt het opperv.ilak

van de schotel berekend. Hieruit vinden we de diameter van de schotel: D

=

0,50 m. Stellen we de snelheid,waarmee de vloeistof naar beneden valt op 0,25 m/sec,

dan vinden we voor de diameter van de toren D

=

0,54 m.

De dampruimte van de toren wordt op

.L..!!!.

gesteld, de vloeistofruimte op 0,5 m. c.stripper voor het raffinaat.Voor de berekening van het aantal schotels werd aangenomen da.t het fenol-olie mengsel de wet van Raoult volg~, daar er geen constante van Henry bekend was. De druk in de stripper bedraagt 0,74 ata, de gemiddelde temperatu~r in de stripper is 255°C. De druk van fenol en olie bedraagt b~ die temperatuur 5,63 ata resp. 0,028 ata.

Er wordt nu een X-Y diagram gemaakt. X is het aantal molen fenol opgelost in èèn mol olie, Y is het aantal molen fenol in èèn mol stoom.

Verder geldt

x

y

x / 1-x

P _{partiaal fenol} / P _totaal - P _{partiaal fenol}

o

Ppartiaal fenol

=

x Pfenol

Met deze gegevens kunnen we het X-Y diagram berekenen.

De eis, die men stelt aan de hoeveelheid fenol in het uitgaande raffinaat, is 0,001% fenol of

X

=

0,005~De

andere coördinaat, die hier

b~hoort

is de hoe-veelheid fenol in de binnenkomende stoom: Y = 0. Het andere punt van de werkl~n vinden we door naar de top van de stripper te k~ken. Dit punt is reeds vastgelegd door de aanname uit IV-2. We berekenen nu deze X en Y.

We kunnen nu op de bekende w~ze het aantal theoretische schotels construeren. We vinden 4 theoretische schotels. Uit het diagram bl~kt dat de aanname over de hoeveelheid stoom naar de stripper geoorloofd is. Wordt de hoeveelheid stoom kleiner genomen dan gaat het punt A van de werkl~n st~gen. Door het verloop van de kromme zal het steeds moeil~ker worden om de vereiste zuiverheid te bereiken. Het aantal schotels zal steeds toenemen.

Het aantal schotels wordt in de pract~k op 6 gesteld. Dit aantal schotels wordt ook gebruikt in een fenol-proces in de pract~k (lit.25).

De berekening van de diameter van de toren verloopt als volgt: Eerst wordt~de gassnelheid bepaald met de formule:

U C$~-·-1 •••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••

(13)

U gassnelheid (m/sec)

C constante, die van de schotelafstand afhankel~k is. De hoeveelheid gas, die aan de bovenkant verdwijnt, bestaa.t uit 0,216 kg stoom

T

/sec en 0,205 kg fenol/sec. Deze gewichtshoeveelheden worden omgerekend in volumehoeveelheden. Het volume is 0,849

m~

Door deling van het totale gewicht

(q421 kg/sec) door dit volume vinden we het soortelijke gewicht van de damp.

qp

dezelfde manier wordt het soortel~k gewicht van de vloeistof bepaald. Vullen we de bovenge~ondèn waarden in (13), dan vinden we:

U

=

1,51 m/sec. De volumestroom is 0,849 m3/sec, dus

2

o

= 0,849/1,51 m

het doorstroomde oppervlak

2

0,56 m •

Hieruit volgt dan voor de diameter van de toren D

=

0,85 m.

is:

De hoogte van de toren bedraagt 6 x 0,60 m

=

3,60 m • .Aan de onderkant komt hier nog 0,40 m bij. De totale hoogte wordt L

=

~.

d.absorber.De berekening van deze toren is analoog aan de berekening onder c. We vinden êèn theoretische schotel. Dit wordt in de practijk verhoogd tot vier

schotels. torendiameter lengte schotelafstand ~,50 m. 3 m. 0,60 m.

e.stripper voor het extract. Het aantal schotels wordt gelijk genomen aan die van de raffinaatstripper, omdat de_omstandigheden waarbij deze torens werken bijna gelijk zijn. torendiameter schotelafstand aantal schotels lengte 0,50 m. 0,60 m. 6 4 m.

f.fenoldroogtoren. Met het x-y diagram op blz.16 kunnen we met de methode van McCabe en Thiele het aantal theoretische schotels bepalen. We vinden een aantal van

7

schotels. De voeding wordt ingevoerd op de derde schotel van boven. Het aantal practische schotels wordt op 11 gesteld, de voeding wordt dan op de vierde schotel ingevoerd.

Voor de berekening van de diameter van de toren wordt de kolom in twee delen gesplitst, een gedeelte boven de voedingsschotel en een deel daaronder.

De volumestroom gas onder in de toren wordt bepaald door:de hoeveelheid toege-voerde warmte (11294,0 kcal/sec) te delen door de verdampingswarmte van fenol

( 122 kcal/kg) en het soortelijk gewicht (2,59g/dm3). De verdere berekening ver-loopt op dezelfde wijze las bij de strippers. We vinden voor de diameter van de toren D = 2 m.

De hoogte, die door ~e schotels wordt ingenomen bedraagt 6,60 m. De totalè hoog-te wordt 8,50 m.

g.fenolverdamper voor het extract. De constructie van deze toren is anders dan die van de verdamper onder b genoemd. De binnenkomende olie wordt eerst in

contact gebracht met de warme opstijgende fenol damp. Het contact wordt verkregen in een regentoren met 8 schotels met een tussenruimte van 30 cm. Hieraan wordt een dampruimte van 1 m en een vloeistofruimte van eveneens 1 m toegevoegd. De binnenkomende vloeistof valt van de ach~te schotel via een valpijp in de vloeistofruimte. Vanuit deze ruimte wordt de vloeistof door de voorwarmers gepompt. Ze wordt weer in de toren teruggevoerd op een negende schotel. Op deze schotel ontspant de vloeistof zich. Een gedeelte van de vloeistof wordt afgetapt en verdwijnt naar de stripper. De rest valt weer terug in de' vloeistof-ruimte.

De dikte van de vloeistoflaag, die van de regenbuischotel afloopt, wordt op ,0,01 m gesteld, de snelheid op 3 m/sec. De dikte van de aflopende laag kan niet

te groot worden genomen, daar anders de weerstand voor de opstijgende gas stroom te groot zou worden. De snelheid van de opstijgende gasstroom wordt op 9 m/sec gesteld. Met deze gegevens kunnen we de diameter van de torenen de schotels berekenen. diameter schotel 1,00 m. aantal sc~otels 8. schotelafstand 0,30 m. tota.le hoogte 4,40 m. diameter toren 1 ,15 m. 4.Diversen. a.aansluitingen.

Hieronder zullen de aansluitingen van warmtewisselaar A berekend worden. De inkomende fènolstroom (12) bestaat uit 1,005 kg fenol/sec. De stroom wordt gekoeld door &e te behandelen olie (1). De temperatuur van de eerste stroom wordt hierdoor verlaagd van 2610C tot 115°C, de oliestroom wordt opgewarmd van 300C tot 96°C. De laatste stroom bestaat uit 5,780 kg Olie/sec.

Voor bovengenoemde temperaturen worden nu eerst all~soortelijke gewichten opge-zocht. Voor het fenol gas vinden we bijvoorbeeld uit (4) voor het soortel~k ge-wicht:

fJ

= 2,14 g/dm3 •

Als de soortelijke gewichten bekend zijn, worden de volumestromen berekend. Daar-na wordt het doorstroomde oppervlak uitgerekend, door een snelheid van het gas

of de vloeistof aan tepemen. Voor gassen worden snelheden van 9 tot 20 m/sec aangenomen, dit is afhankelijk van de druk. Voor vloeistoffen is de snelheid