Verslag behorende bij het processchema: Cumeen

~

I

Tabel/.A

KATALYSATOREN DIE VOOR CillillENBEREIDIHG KUNNEI-J vlORDEN TOEGEPAST.

.. -Katalysator Reactortype Fasen in T T' WRSV Corrosie Opmerkingen

reactor (oC) (atm) AlC1

3(+HCI) continue G+L(2)+S

:

onbe- hoog katalysator-50-100 ca.1 zeer

tankreac- kend ernstig verbruik; veel

ne-tor venreacties; menging

en scheiding der fa -sen vormen probleem HF als boven G + L(2) 0-50 tot 10 onbe- kan be- materiaalkosten vrij

kend streden hoog; menging re:ac·· worden tanten lastig; voe-·

ding moet nogal zui-ver zijn; HF is erg giftig

H

2S04(88-90%ig) als boven G + L(2) 35-40 10-15 ca.1 kan be- mengproblemen; fasen-streden scheiding lastig; veel worden nevenreacties, o.m.

oxidatieve ,hoog zuur--verbruik; afvalpro-bleem; dure materialen nodig.

H3P04/kiezelgoer buisreactor G + S ca.250 15-30 1-5 geen levensduur katalysator probleem voor verdere verb

ete-ring vatbaar; voeding moet constant waterge--halte van ca.0,05 ge1-'.:' bevatten; vrij hoge li·

cent ierechten Si0

2/Al203 buis reactor G + S _{(fluid bed} ca.350 10-50 1-5 _{probleem bij H3P04/dragcr ;katal'r} geen temperatuur hoger dan

reactor?) satoractiviteit daalt

enigs zins door 1ökool_ afzettingen"; regenen'.-bel;geen stringente

eisen aan voeding te stellen

Silicowolfraam- buisreac- G+L+S 100-12C ca.10 10-20 geen katalysator duur en

zuur++ op dra- tor probleem vrij gevoelig voor

ger (b.V. sili- verontreinigingen;

cagel) meer polymerisatie van

olefine dan bij sili-ca-alumina en H3P04/ drager; zeer grote warmteproduktie per

,

eenheid van kataly-I satorvolume

+uitgedrukt in gew.benzeen/gew.katalysator per uur. Voeding benzeen/propeen in molverhouding 3 tot 5.

CU!1EENDEREIDWG PROPAAN PROPEE ' + PROPAAN) • RECYCLE --~---!---.,.---f---, BENZEEN ALKYLATIE REAKTOR BENZEEN DEPROPANIZER BEflZEEr~KoLorl (+SPOOR PROPEEN) CUIlE N SCHH1A A VNL.DIISOrROPYL~_NZENEN CUI1EENKOLOH

. PROPEEN(+ PROPAAN) CU~EEN8EREIDING MET TRANSALKYLATIE PROPAArl RECYCLE

- - { ) - - - - ! - - - - __ - - f - - - .

BENZEEN BENZEEN

ALKYlATIE REAKTOR DEPROPANIZER OENZEEN-KOlm·1 8ENZEEN (+SPOOR PROPEEH) CUl1EEN SCHEMA B· CUMEEN· TRN~SALKYlATIE . KOlm1 REACTOR

-

---\~

•

Tabel B.

RmfE SCHATTING VAN KOSTEN VOOR FENOLBEREIDING VIA CU}~.

Basis jaarproduktie 60.000 ton fenol + 36.000 ton aceton Investeringen: "on site" $ 10.000.000

:offsite" $ 3.500.000 Locatie : U.S.Gulf Coast.

Variabele kosten.

Directe grondstoffen - benzeen ad $ 80/ton propeen ad $ 51/ton totaal grondstoffen

Kosten in $ per ton geproduceerde fenol 88 Indirecte utilities en hulpstoffen (stoom,electriciteit, katalysatoren,chemi-33 121 caliën) 24

lonen(inclusief supervisie van de bedrijven) 18 onderhoud en reparaties (lonen + supervisie + materialen + gereedschappen) 11 verkoop en administratie, algemene overhead 22

'::'otaal variabele kosten, (bruto) 196 Netback voor geproduceerde aceton(credit)($ lOO/ton)

46

Netto variabele kosten 150 Vaste lasten.

Afschrijvingen (15% van de "on site" investments) Return on investment

25 45

Vereiste verkoopprijs voor fenol $ 220 per ton r

N.B. Indien de capaciteit van de geplande fabriek zou worden gehalveerd, zou de vereiste verkoopprijs met ongeveer 15 tot 20% moeten stijgen.

'.

Tabel C.

CUmeenspecificatie

soortelijk gewicht bij 20°C S-gehalte Gaschromatografische analyse: ethylbenzeen n-propylbenzeen C4, C₅ en C6-benzenen cumeen min 0,864 min 99,75% max 0,867 ma.x 2 ppm max 0,1% max

0,'

% ~ '. ~/

~ max ~ '(Ja.4}. 0, O!l-'h, . max ~ ·/CO ~

voorts mag de kleur van het produkt niet donkerder zijn dan een gespecificeerde waarde •

1.

LITERATUURLYST

==============

S.H. Me Allister, John Anderson en E.F. Bullard. chem. eng. progr. ~ april 189-196 (1947)'

2. E.K. Jones .Petro1eum Refiner

33

2 Dec. 189 (1954)

3.

E.K.

Jones Petroleum Refiner

32

2

Nov.

230 (1957)

/

4. Po1ymerisation of olefines from cracked gases.

Advances in Cata1yses

a

219-238 Academie ?ress New York (1956)

5.

T.M.

Berry ,

E.E.

Reid J. Amer. Soc. ~

3146 (1927)

6.

Landolt-B~rnstein Zah1enwerte und WUnktionen aus

Physik-Chemie-Astronomie-Geophysik-Technik. ~ 471

Ber1in (1960)

7.

8.

9.

T • . Earl Jordan: Vapor Pressure of Organic Compounds .

Londen (1954)

Petroleum Refiner .i1 2 Dec. 137 (1961) / J. Nyman: Technisch-Physche Scheidingsmethoden .'

Delft

(1958)

16. D.P. Kharbanda D. Ch. E., A.M.I. Chem I. :

Nomograms for Chemical Engineers. London Heywood & Company L'liD (1958)

11. John H. Perry Ph. D.

Chemiea1 Engineers Handbook ed. 3

London- New Jork - Toronto

Me Graw-Hil1 Publishing Company LTD (1950) 12. J.B. Maxwell: Data book on hydroearbons

Toronto-Hew York-London D. van Nostrand Company INC.

/ 1.

;

I

_I I " 'I I ; ,

INLEIDING

===========

Hoewel men op het eind van de vorige eeuw al cumeen kon maken heeft het tot de tweede wereldoorlog geduurd voordat men in deze stof enige c ommercUne waarde zag.

Nadat in 1879 Balsohn voor het eerst een katalytische alkylatiereactie kon laten verlopen ( dit was de bereiding van ethylbenzeen uit benzeen en etheen waarby aluminiumchloride als katalysator werd gebruikt ) lukte het Radziewanowski in i885 CUffieen te maken op ongeveer dezelfde manier.

Men heeft deze stof wel voor verschillende doeleinden willen gebruiken o.a. voor de styrolbereiding, maar eerst in

i94i ondekte men eerst de grote waarde van cumeen.

In die tyd hadden de geallieerden door de verovering van het verre oosten door Japan een grof)t gebrek aan benzine.

Men maakte daarom synthetische. Deze synthetische benzine moest natuurlyk een behoorlyk octaangetal hebben wat men kon bereiken door vertakte alkanen en alkenen toe te voegen b.v. 2,3 dimethylbutaan, 2,2,3,trfmethYlpentaan en isobuteen. Deze stoffen zyn echter duur. Door toevoeging van eumeen aan de benzine kon men de hoeveelheid synthetische alkanen en alkenen verlagen met behoud van het octaangetal.

De productie van benzine kon door deze vinding van de Shell Companies in de jaren 1942 , 1943 met 23

%

verbeterd

worden.

Op het eind van de oorlog was de dagproductie+i 2600 ton. Na de oorlog was er uiteraard geen behoefte meer aan cumeen voor de bereiding van synthetische benzinee en daarom is men gaan zoeken om voor deze stof een andere bestemming te vinden. Tegenwoordig wordt practisch alle cumeen gebruikt om fenol uit te

2.

maken zodat men by een cumeenfabriek altyd ook een fenolfabriek ~

kan aantrffen. _ .

--

-De Fenolbereiding:

+ >

cumeen lucht cumeenhydroperoxide

+ ( zwave lzuur )

~

( - . ) 0

~/

c

I/J

+

cumeenhydroperoxide fenol aceton

Ofschoon men by deze methode van fenolbereiding eerst cumeen moet maken blykt dit toch de meest economische te zyn.

Dit is vooral te danken aan de waarde van het byproduct

n.l. aceton en aan het feit dat vanwege de geringe agressiviteit der reactanteh geen hoge investeringen gemaakt behoeven te

worden.

Op een kilogram fenol wordt ongeveer 0,6 kg aceton als

tweede product by dit proces verkregen.

Cumeen kost F Fenol kost Aceton kost 920 1380 580

gulden per ton

11 tt ft

MOGELYKE BEREIDINGSWYZEN

========================

De verschillen in de bereidingswyzen van cumeen zyn alle terug te voeren tot verschillen in de gebruikte katalysatoren by de alkylatiereactie.

1. Alkylatie van benzeen en propeen door middel van een vaste fosforzuurkatalysator.(l) De katalysator bestaat uit

62-65

% fosforpentoxide en

25

% silitiumoxide.

Door aan de voeding een kleine hoeveelheid water

0,06

gew. % toe te voegen houdt men het watergehalte van de katalysator op peil. De reactie wordt in dampfase uitgevoerd.

Enkele gegevens:

Reactietemperatuur

250

graden Celcius Reactiedruk Opbrengst L.H.S.V. 27 atmosfeer 94 %

3,5

2. Alkylatie met zwavelzuur als katalysator. (1)

Deze bereidingswyze wordt toegepast door de Curacaosche Petroleum Industrie Maatschappy.

Een propeen-propaanmengsel wordt met een overmaat benzeen in z zwavelzuur gepompt. Hier vindt de reactie plaats by ~ 40 graden Celcius. De druk is zodanig dat de reactanten in de v1oeistoffase blyven. De propeenconversie is

90 %.

Het is nodig vers zwavelzuur

toe te voegen omdat dit zuur byproducten opneemt zoals water en olefine-polymeren. De sterkte van het zwavelzuur moet namelyk 38-89

%

zyn • .

u.s.

patent no.

2372505

27

maart 19L1

5

Hier wordt ook uitgegaan van een propeen-propaanmengsel met overmaat benzeen. De katalysator is een 98 % waterstoffluoride oplossing.

4.

De reactie vindt plaats by

-25

graden Celcius en de opbrengst is 80 %.

4.

u.s.

patent no. 2385303 18 september 1945

Als katalysator wordy gebruikt aluminiumchloride opgelost in een nitroparaffine in een moleculairverhouding van 1:3

Reactietemperatuur Reactiedruk

Opbrengst

u.s.

patent no. 2375041

-10 tot -100 graden Celcius

o

tot 100 atmosfeer 26 CS

1 mei 1945

De katalysator is cuprifosfaat-trihydraat Cu~(PO~)~.3H 0 en er wordt gewerkt by 300 graden Celcius en 50 atmosfeer.

6.

u.s.

patent no. 2402847 25 juni 1946

Als katalysator wordt gebruikt een mengsel van A1103 en Fecl~.4H 0

in een gewichtsverhouding van 2:1. Als dit mengsel 12 uur by 300

graden Celcius wordt verhit bevat het 25

%

Fecl~. Dit ferrochlor1de is de eigenlyke katalysator. Reactietemperatuur Reactiedruk Reactietyd Opbrengst 350 graden Celcius 100 atm0sfeer 4 uur 39 %

Buiten deze

6

processen bestaan er nog vele andere die evenals de laatste 4 uit dit rytje in de industrie onbruikbaar zyn.

Van de eerste twee gaat de voorkeur uit naar nummer 1, namelyk van de 20 cumeenfabrieken in Amerika werken er 18 op deze manier. De andere twee gebruiken de vloeistoffasemethode

met zwavelzuur als katalysator.

Dat het gas fase alkylatieproces meer in zwang is komt alleen maar omdat men in die tyd van opkomst van de cumeen-bereiding dit proces in bestaande fabrieken kon gaan uitvoeren. Voor het zwavelzuurproces waren name1yk allerlei voorzieningen nodig.

Het nu VOlgende processchema zal handelen over de bereiding van cumeen volgens het gasfase proces met vast fosforzuur als

katalysator.

HF.T PROCES ==========

Propeen en benzeen worden onder invloed van een katalysator aan elkaar gekoppeld.

Deze kat. bestaat uit fosforpentoxide wat aangebracht is op

een drager van silitiumoxide n.l. 62-65 % Pc O'('8n 25 % SiO

De kat. is ontwikkeld door de Univesal Products Co. om er olefinen mee te polymeriseren.

Het reactieve gedeelte van de kat. is fosforzuur wat verkre-gen wordt door aan de voeding een gering percentage ( 0,06

%

)

water toe te voegen.

Dat men het P~O (samen met een drager gebruikt is voornamelyk om het oppervlak te vergroten waardoor het schudgewicht kleiner wordt en om de actieve deeltjes verspreid te houden om zodoende samenSintering te voorkomen. Een financiêle reden heeft het gebruik van de drager niet.

De reactie verloopt alsvolgt:

~~J ~

c

1-13 C- H, 0 11 ~\ ) ---p 0 lt

H-zpo"

c-l-t

+

- 7 H-cCD

+

I I C-H_{3 C \-\3} ~) _~(" ~ ~ --;. ~jJ H3 _{1-1 H3} c -c - c

-

_{c ,1-\3 I} + /"--,

I~J

+

I '>

&()

<Be- 4 \ c-I-\") ~ ClVW\..lUW\.

-6.

\ \ \ \ \ \

\

\ \

Het proces kan men op verschillende wyzen laten velopen. .

De variabelen die de meeste invloed hebben op de cumeenproductie zyn:

a) Temperatuur b) Druk

c) L.H.S.V.

d) Verhouding benzeen: propeen e) Verhouding propeen:propaan :f) Onzuiverheden in de voeding ad a)

Het effect van de variatiesin de reactietemperatuur by een druk van 18 atm., een L.H.S.V. van 2,5 en een benzeen-propeen verhouding van 5:1 is te zien in :figuur 1.

Stygt de temperatuur van 200 tot 250 graden Celcius dan stygt de propeenconversie van 58,5 tot 88,5

%

terwyl verdere ver-hoging van de temperatuur nog een geringe verver-hoging van de propeen-conversie te zien geeft. Temperaturen beneden 200 graden zyn niet mogelyk omdat het systeem dan niet meer in de gas:fase verkeert. Temperaturen boven 300 graden zyn ongewenst in verband met de levensduur van de katalysator.

Het percentage cumeen in het reactie product blyft nagenoeg constant by verandering van temperatuur.

ad b)

In :figuur 2 kan men de invloed van de druk op de reactie aflezen by een constante temperatuur van 250 graden, een L.H.S.V. van 2,5 en een benzeen-propeenverhouding van 5:1

We zien dat de druk lang niet zo~ grote invloed op de reactie heeft als de temperatuur. In sommige :fabrieken wordt de druk vry hoog genomen b.v. 50 atmos:feer. ~it doet men dan omdat dan een gedeelte der reactanten in de vloeistof:fase b1yft eR waardoor de

levensduur der katalysator,die in het gasfaseproces

+?OO

uur

be-draagt, aanzien1Yk verlengd wordt. - ,

ad c)

zie :fig. 3 benzeen-propeenverhouding Temreratuur

Druk

5:1

250 graden Ce1cius 18 atmosfeer

By hogere L.H.S.V. wordt de reactietyd kleiner en

daardoor de conversie. Het percentage cumeen in het reactieproduct daalt iets by vergroting van de L.H.S.V.

"

0

--~

8. _

ad d)

zie f'ig. 4 Temperatuur

Druk

L.H.S.V.

250 graden Celcius 18 atmosfeer

2,5

Als de verhoudiDg benzeen-propeen stygt, stygt zowel de propeenconversie als ook het cumeengehalte in het reactieproduct.

Dit _{laatste komt omdat door de vergroting van de verhouding}

benzeen-propeen er minder hoger gealkyleerde benzeenproducten kunnen ontstaan zoals 1,2 en 1,3 diisopropylbenzeen.

De verhouding die in de industrie het meest gebruikt wordt is 6:1

ad e)

De ptopeen-propaanverhouding is niet van invloed op de propeen conversie echter wel op de _{cumeenopbrengst. Door toevoeging van}

propaan wordt namelyk de _{partiaaldruk van het propeen verkleind}

en daardood de hoeveelheid hoger gealkyleerde benzeenproducten. Ad f)

De katalysator is bizonder gevoelig voor zwavelverbindingen.

Als men benzeen gebruikt d?t _{verkregen is door droge destillatie}

van steenkool dan is deze stof' _{daarmee veontreinngd.}

Deze zwavelverbindingen kunnen worden _{verwyderd doo.}

selec-tieve hydrogenering, gevolgd door extractie met benzeen of ook wel

2

door het ruwe benzeen te behandelen met gecncent~wave1zuur.

Onderstaande tabel geeft aan _{de invloeè van deze sto~fen}

op de alkylatie _{van benzeen met propeen in de dampf'ase.}

'yOED1NG _,GEW.%

_GEW.%

_GEt~r

.% GET\',1.% benzeen _{76,3 76,7} 76,7 76,7 ):'ropeen _{8,2 8,2 8,2} 8,2 propaan _{15,1 15,1} 15,1 _15,1 thiofeen _0,4

-

_{0;'12 ""'0;"47} zwavel _{0,01 0,03} Qrv5TANDIGHEDEN temp. in gr.

c.

250 250

₂₅₀

₂₅₀

L.H.S.V. 2,9 2,5

2,5

_2,5

druk in atm. 18

18

18 18 benzeen-propeenverh. 5:1 5: 1 5:1 5: 1 Beslllla:teD lit.cumeen/kg.kat.

₆₉

₁₂₆

83,4 48,4 (conversie begin

%

83 90 89,5 84 eind % _{77 89 88,5} 69 S in cumeen in % _{0,32 0,01 0,15} 0,81 % cumeen in prod. ₈₉ 89 _{89 88}

I00~---1 (\.~ ~Or---~~~---4 ~ ~0 +'~ C) ~CU 'O-ri <:.~~ ... OC/) ~~ 0.. CU :> ~~ )0 -riO 0 ~~ CU CU Q)CU 80. ₆₀ ~o OH 0.. lso 3{)() IO'~---~ 90 _ _ _ _ c\.~ SOI __________________________ - -__________________ ~~ ____________________ ~

cumeen in product % cumeen in product % propeenconversie % propeenconversie % \-) Vj tr-- -yJ ~ lP

-

0 (j'-... "1-l

.,

tP 0 g- o 0 ₀ c 0 cs 0 0 0 0 0

QI

VJ

~I

---f'

~

;f

_I

_I

~

f.' l.? 0 '

f

.~

~

0 "-~

1

_û V\

1

-.,J \ 0 ,

"

0

t~

$

~

r

I _,....

~j

r

~~

/

I~

1

\

11. Snoren etheen en buteen hebben geen grote invloed.

Etheen heéft een veel kleinere reactiesnelheid dan propeen zodat het onveranderd uit de reactor treedt. Buteen reageert helemaal '

met benzeen maar de menge igenschappen van het product met benzine

I

t {

.

J

\'Ii(':">

zyn hetzelfde als die van cumeen.R\8 Als men uit het cumeen echter '

{,

J

1

fenol wil maken moet een te grote hoeveelheic'l buteen verwyderd ". ~I,AL'A .... :

--

'

woraen.

Te grote hoeveelheden water moeten ook verwyderd worden

daar deze de sterkte van de katalysator verminderen.

Na de bereiding van cumeen in de reactor moet deze stof nog gezuiverd worden. Dit doet men met behulp van drie destillatie

-t0rens waarin respectievelyk Propaan+Propeen, Benzeen en Cumpen over gedestilleerd worden.

Om deze kolommen te kunnen berekenen moeten we de X-y

diagrammen die by deze torens horen kennen evenals de helling van de q-lyn. Hiervoor hebben we van elke stof het verband nodig dat er bestaat tussen de druk en de temperatuur.

6,82973 813,20

Voor propaan geldt: log P

₌

-

---t: + _248,00 , {IA ~ t. (., \'~~f\ .. ,~ \,.'

{

,tJ);..,..(

t

.

v\.,'

\\~.'r ~., \

/j"

Voor propeen !leldt: ~~~) ('"

b.

Voor benzeen geldt: log P = 6,89745

-1206,350

---t + 220,237

Voor cumeen geldt: log P

₌

6,92926

---

1455,811 t + 207,1.l1l

De druk P is hierby aangegeven in mm kwik en de temperatuur in graden Celcius.

Voor 1,2 diisopropy1benzeen en 1,3 diisopropy1benzeen

geeft de liter~tuur de volgende tabel: (7)

P in mm kwik temp. 1 5 ZO 20 40

60

100 200 400 760 1,2 D.I.P.B 40,0' 67,8·, 81,8 96,8<' 114,0 124,3 138,7 159,8 184,3 209,0 " temp. 1,3 D.I.P.B.

3

4

_,7

62,3 76,0 91,2 107,9 118,2 132 ,3 153,7 177,6

12.

By iedere temperatuur vinnen we een waarde voor Yl_A en ook Een waarde voor de totaaldruk van de andere comronenten n~ •

=

0<..

=

de relatieve vluchtigheid van sto~ A t.o.v.

è e .,,~

de andere stoffen.

Deze is afhankelyk van de temperatuur maar voor de bereke-ning wordt hy constant genomen. De ~ èit voor de berekening wordt

gebruikt is die welke beh!hÓlrt by de gemiddelde temreratuur in de

destillatie kolom.

Nu kan men zeggen:

YA '" '"

y

0( .= y~ ' 'XA I-Y

Het is nu mogelyk om voor de te destilleren stoffen een

X-y diagram te tekenen en met behulr hiervan kan men als de

zogenaamde q-Iyn bekend is het aantal theoretische schotels uit-rekenan.

De q-Iyn:

y=

_{l~ )}

Hierby is q het quotient van de hoeveelheié1 warmte die aan

1 grammolecuul moet wóden toegevoegd om deze over te voeren in verzadigde damp en de molaire verdampingswarmte.

Als de v0eèling by de destillatie uit kokende vloeistof bestaat

dan is q

=

1. "r)e q-lyn loopt oan vertikaal vanuit het punt met abcis

Xt

op de 45 gradenlyn in het X-Y diaeram.

De kooktemreratuur van d~' voed ing moet do!)r proberen

ge-vonden worden n.l.

P

=

destillatie druk

By een bepaalde temperatuur krygen we een beraa1de PA

en PB. X is bekend. Als bovenstaande vergelyking by die temperatuur klopt is dit de kooktemperatuur van de voeding.

Zo vinden we voor:

Voeding èestillatiekolom 1: Temp.

₌

120 gr.

c.

P = 12

ti

"

2: Temp.

₌

86

gr.

c.

P

=

1

tt ft

3:

Temp.

₌

156

gr.

c.

P

₌

1

Met behulp van deze gegevens is het mogelyk om voor iedere kolom het aantal theoretische schotels te bepalen.

zie fig.

₅

,

₆

~n

7

atm. atm. atm.

j

- -- - - -- - - '

- - - --~-f,o r---~---==========-I----=::;;:?i o,~ o,~ O,t 0, ~ 0,1 O,Z 0,1 ~~--~~-~---~----~----~----~----~----~----~ o,~

0,,,

" ()

x

>

~~i~

Bepaling van het aant:'l schotels van kolom 1.

De voedingssamenstelling is 0,15. Hiermee kunnen we de

minimale refluxverhouding bepalen. Deze is

0,323

Als werkelyke R

kiezen we dan het dubbele n.l.

0,65.

Hieruit volgt de helling van de eerste

werklyn en daarmee de eerste en de tweede werklyn.

Met de methode van RVU Mc eabe en Thiele bepalen we dan het aantal theoretische schoteis.

14. I,Or---::::::;:.::;;;;;~;;;;=~=~ o,q ·t o)~ 0 0 0,' q~ O,~ D .... ~S- 0,(, 0,) _O,i5' " C) 1,0 )( ~ X voeding =

0,855

R min. _{=().077 \}

"

.

R = 0,15

De helling van de eerste werklJrn is

0

,

13

Het aantal theoretische schotels is

7

I/~---=~~. 0,3 0,2 ~I 0 0,\ 0,1- °,3 0,'-1 0,> D,6 0.."1 a,&, 0,') _',0 'X _') X voeding = 0,89 R min. = 0,333 R =

0,66

.I

Helling eersté werkl. = 0,40

"-1 (, "I'

r.~ATERIAALBI\LANS VAN CUMFEN "0Y~ENS HET GASF'ASE PB0CES

Stlfstromen in kg/sec Stofstroom 1 2 ₃ 4

5

6 ₇ 8 ₉ In 11

--Temp. in gr. C. Druk in atm. 2,- 2

5

2

5

80, I 3 ~ 80, 1 80, 1 80 , 1 334 334 2 50 Phase Benzeen Propeen Propaan Cumeen ~;ater D. I .P .B • Stofstr~Qm Temp. Gr. C. Druk atm. Phase Benzeen Propeen fropaan Cumeem D.I.P.B. 1 L 0,76 1 G f 11L« __ i 0~486

ë::;u:'~-;

I

0,

~07

(

~

r \\

\

{) Ir .. ; } "";":1 \ <;l2 ~- 13 250 210 27 27 G L 4,56 4,56 0,029 0,029 0,507 0,507 1,038 1,038 0,183 0,183 1 L 0,0038 14 205 27 L 4,56 0,02

9

0,507 1,038 0,183 I L 1 G 1 G 1 L 4,56 5,32 5,32 15

16

17 18 120 120 16 11 27 12 12 12 L L G L 4,56 4,56 0,029 0,029 o,O~ 0,0:1' 0,5070,507 O,69~

O,;)atJ

1,038 1,038 1~~~ ~~3~ 0,183 0,183 ' i , v\-. ~ ~ ~,I'"~;

-

~ ~-1 27 G G 27 G 27 G 5,32 5,32 5,32 5,32 0,486 0,486 0,4-86

°

,486 0,507 0,5070,507 0,507 0,0038 0,0038 19 20 21 22 11 200 86 86 12 12 12 1 L L L L 4,56 4,56 4,56 O,QZ~ , O,,,~

---'

3:=;'@~~ 1,038 1,038 1,°38 o,183 0,183 0,183

-

_.

.

.-, /

It~/(I-~

_"-

_i/

_-

_lr"-'-'

(

\k.

'''-/

~

wa

%

ur~,'''1

..

~ •

- --

---I Stofstromen in kg/sec Stofstroom 23 24 25 26 27

28

29 30 31 Temp. gr. C. 80,1 80,1 156 152,4 152,4 152,4 25 209 25 Druk atm. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Phase G L L G L L L L L Benzeen 5,23 0,68 Propaan Propeen Cumeen 1,038 1,720 0,684 1,036 1,036 0,002 0,()O2 D.I.P.B. i 0,183 O,go~ 0,001

_~

0,002 0,181 0,181

I

Met de geringe hoeveelheid water èie in het systeem aanwezig is,

is in deze stofbalans geen rekening gehouden. _{'- ?}

l

'U ~Jt,( . . ", t f..ü""\~ ,/ \ ' \ . < ,/" ..-"~ , / ' I

j

ENERGIEBI\LANS VAN CUMEEN VOlflENS HET DAMPFASEPROCRS

====================================================

De warmtehoeveelheden zyn uitgedrukt irl KILO-WATT~

TQegevo~rde warmte Afgevoerde warmte

8. Warmtewisselaar

95

a. Warmtewisselaar

₉₅

b. Verdamper _{2184 b. Verdamper 2184}

g. Reboiler 883 c. Warmtewisselaar 1173

j. _Reboiler

₂₁₃₅

_{d. Koeling Reactor}

₉₄₂

m. Reboi1er :561 e. 1tJsrmtewisse1aar 1I63 f. Condens or !r<oelp I' 320 h. Warmtewisselaar

₁₃₃₀

i. Condensor 2020 k. Condensor

547

1. Koeler

₂₉₉

n.

Koeler

₅₇

Reactiewarmte 942 Warmte inhoud van de stromen:

' 1. benzeen

o

29.

cumeen

o

2. Propaan + propeen

o

31. D.I.P.B. o

19.

propaan + propeen

169

Door c0mpressor

2845

10130 K. "!r.

De

1,5%

die deze bedragen schelen kunnen toegeschreven

worden ean afleesfouten in de enthalpie-tabellen.

PLAATS D.B;R E'ABR-LEK

==================

Bij het bepalen van de plaats waar de fabriek moet komen

denken we aan de volgende 3 factoren:

1. Toevoer grondstoffen

2. Toe- of afvoer van energie

3

.

Afvoer der producten

Volgens deze 3 factoren zou de ideale pkaats voor de cumeen

-fabriek 7ijn in de nabijheid van een olieraffinaderi j, n.l .

propeen en propaan kan men bekomen uit raffinaderijgas; benzeen

verkrijgt men door Ir Platforming" van aardoliefracties ; Energie

bij een olieraffinaderij is goedkoop en de producten ( in dit

geval is bet eigenli jk fenol en aceton omdat men naast een

cumeen--

-

-fabriek altijd een fenolfabriek heeft .) kunnen gebruikt worden

in de chemische industrie die men altijd in de nabijbeid van een

olieraffinaderij aantreft .

Wordt het benzeen niet door lIPlatforming" verkregen

maar door droge destillatie uit steenkool dan zou men evengoed

de fabriek bij de raffinaderij neerzetten omdat het transport

20. BBHEKENINGEN ========== REACTOR: Temp. 250 gr. C. Druk 27 atm. Reactiewarmte 23,4 K.ca1./mol. L.H.S.V. 3,5 -Mol. cumeen/sec. 9,72 Stroom 11: ~\ft. benzeen 5,32 kg. propeen 0,507 kg. propaan 0,4g6 kg.

=

9,02 liter vloeistof /

h~~

:: 5,07» " ,~

=

4

R6"

"

" 1

Levensduur der katalysator1 700 uur. ~/ jYl'

L.H.S.V. :: = Stortvolume kAt.

=

Volume voeding/uur ~tortvolume kat.

36

n

_Ox18,q5

3,

5 = 19500 litr. = 19,5 m~ Inwendige diam~ter pypen :: 50 mme

Uitwendige diameter pypen= 57 mme 3

Volume per meter

=

0,OO~97 m •

lQ,5

::

9890 meter pyp. 0,00197

De pypen zyn 10 meter lang aantal pypen

=

989. Dikte der pypenbundel = D = 2800 mm.

Aangezien de levensduur der kat. 700 uur bedraagt hebben we 2 reactoren nodig. Een is in werking tewyl ~

de andere de kat. geregenereerd wordt.

-

-Koeling der reactor.

De hoeveelheid warmte die per s€c. ~fgevoerd moe\~_ orden (

bedraagt: ! \

9,72 x 23,4 x 4,19 = 942 ki1owaat. ~ C\\i. ~ ..

Dit wordt gedaan met behulp van water van 200 gr. C. onder een druk van 15,85 atm. De verdampingswarmte wordt dus gebruikt om de reactiewarmte af te voeren.

Het oppervlak der b~izen die met kat. gevm1d

is 989 x 10 x 0,1570 = 1552 ~

Als koeloppervlak is nodig: 942000

200 x ~O

~

= 9~,2 m _u T log. gem _{= 200}

_W

_{\._"}

=

50

Er is dus koeloppervlak genoeg.

De buizen worden nu in plaats van 10 meter 12 meter lang genomen om een voldoende dampruimte te ktl.gen. Die extra 2 meter pypworaerfgevnélmè·t:·gl~s . ... . ")

--~.~--. :\Jk.t\.i~

(

Hoeveelheid koelwater

=

942000 = 487 gr. = 0 487 kg.

4~19(666,8-203,5) ,

water invoer

=

0,487 x 1,1565 =

0,563

1itr./sec.

water afvoer 1itr./sec.

21.

Alle flensopeningen worden zodanig gekozen dat de gas- \ 0 f). snelheid 11 meter per sec. bedraagt en de vloeistofsnelheid ( \~

3

meter per sec.

-Afmetingen

=======-hoogte reactor

hoogte kat. in reactor hoogte dampruimte diameter reactor

"

at tt tt flens stoomafvoer u productafvoer 11 reactantentoevoer pypen 12000 mm. 10000 mm. 2000 mm. 2800 mm. 85 mm. 121

mm.

137 mm. 50-57 mm.

Comrressor:

========--Er wordt gebruik gemaakt VQn een plunjercompressor omdat deze bestand is tegen hoge temperaturen.

druk stroom 8 druk stroom 9 temp.stroom 8 vol. stroom 8 volgens volume stroom 9 temp. 11 9 VERDAMPER: ========= ~-1 atm. 27 atm. 80,1 gr. C. 2641 liter

=

144 liter = 334 gr. C.

temp. vloeibaar benzeen invoer 33 gr. C.

11 gasv. ft afvoer

hoeveelheid benzeen 80,1

_5,3

2 gr. _kg.C. _; ~V-,...

warmtestroom

=

2184 kilowatt

Als het mengsel dat de reactor verlaat deze warmte af moet staan, d~n daalt hiervan de temperatuur van 250 tot 210 gr. C.

Hierby is aangenomen dat alles condenseert. ( kookpunt =245

gr.

C.

en condensatiepunt

= 187

gr.

C.

)

Als overgangspunt van de gasvormige in de vloeistoffa~: __ _

nemen we de temp. van 216 gr.

Ci

~

T log. gem.

u

diameter buizen oppervlak rer meter

koeloppervlak lengte pypen aantal pypen diameter pyrenbundel hoogte dampruimte

25-32

mm.

Qtv

1000 0,0785 mt 12,56 mlo lm 160

55

1Im. 2 m 22.

"

Om de gassnelheid in de verdamper kleiner te maken wordt t~

de diameter der verdamper niet 55 cm maar 75 cm gemankt.

~rlY'

Î,

Warmtewisselaar c. ==============:=--Temp. gas invoer Temp. gas afvoer Temp. water invoer Temp. water afVoer T log. gem. u warmtestroom 117₃₀₀₀ Koelend oppervlak A = -242 x 90 pypen met inw. diam. van

It ti ui tw. ti U

16 mme 22 mm. aantal meters pyp = 1070

pypen 2 meter lang 535 pypen.

334 gr. C. 250 gr.C. 20 gr. C. 80 gr. C. 242 90 1173 !(i1owa tt

5i,9

ml.. Dikte pypenbunde1 = 1,4 x 22 x 24,2488 = 747 mm. 22 mme 1,4

x

1,5 x 22 = 46

mm.

Totaal 815 mme 1173

hoeveelheid water nodig voor koeling = --4--,1-9--x~6~0--- = 4,67 kg. water invoer =

11 uitv0er

=

4,67 liter 4,81 ti

snelheid van het water is 0,0448 m/sec.

De snelheid moet zyn L(Q.,5Jn/sec,

'

r

e

hebben dus 11 passes nodig. De snelheid wordt dan 0;'493 m/sec.

Door het aanbrengen van platen in de pypenbundel wordt de diameter groter en wel 10 mm. per pass.

De totaaldiameter van de warmtewisselaar is dus 925 mm.

We nemen 95 cm. De snelheid van het gas door de flens moet 11 X meter rer sec. zyn. ~

Diameter flens gas invoer

ft n gasuitvoer

149

mm.

\

I Jv--,L~,c

137 mm. j\"N/+<-?

De berekeningen van de andere warmtewisselaars, condensors en reboilers verlopen op dez1fde manier. Voor resultaten zie tabel.

•

~

Q) _{H H H H} H

+' Cl) Cl) Cl) Cl) Q)

Ei r-I r-I r-I rl rl

r.. Cl> Q) cv IV IV CU C- C 0 0 0 ~ ~ ~ ~ ~ .!<! • • • • • • CU t> IV

.c:

r-t s:: Warmtestr. K.W.

₉₅

1173

1063

1330

299

57

Koelmiddel water water water water water

Vol. koelm. liter

564

4,70

4,30

5,4

1,2

0,2

Temp. inv. gr.

c.

25

20

20

20 20

20

Temp. uitv. gr.

c.

80

80

80

80 80 80

Stof rond pyp

Temp. inv. gr.

c.

210

334-

205

200

152,4

209

Temp. uitv. gr. C.

205

250

lSé

86

25

25

T log gem.

154

242

116

90

26

40

U

60

90

QpO

600

600

600

Inw. diam. pyp in mm

50

16

16

16

6

25

koelend opp.in mt

10,28

53,9

15,3

24,64

19,15

2,375

meter pyp

₆₅

1070

305

490

1015

31

lengte pyp m •

1

2

1

1,5

2

31

• Aantal pypen A

65

535

305

327

508

1

Aantal passes tl

11

8

6

6

1

Dikte koeler in cm.

90

95

70

70

55

I\)

)

~ •

•

ti

Ij (ft) "~/2/1 f~

Warrntestr'Jorn in 1(.v;. 883

.

---Verh. middel dowtherm

A

invoer T gr. C. 260

P atm. 1,065

uitvoer

T

gr.

C.

260

P atm.

1,065

hoeveelh. Dowtherrn A.kg. 3,03

T log .ge m. 60

u.

~o

Koelend opp. in m 2.

Inw. diam. pypen in mm.

meters pyp lengte pypen

aantal pypen

in m.

dikte pypenbunde1 in cm.

flensdiam. dowth. inv. mm.

gas afvoer mm. 36,8

25

468

1,5

312

75

282 118 hoeveelheid dowtherm ~ gas in liters 688 • 260 1,065

260

1,065 7,31 104 400

53,4

25

680

1,5

453

90

L139

468

1666 H Q) rl 0..-1 o ..a Q) ~ dowtherm A. 260 1,065

260

1,065 1,93

51

400 27,5

25

351

1,5

234

70 225

238

--~,

/

Warmtestroom in ~.W.

Koelmiddel

Temp. inv. in gr. C. Temp. uitv in gr. C.

Druk in- en uitv. atm.

Hoeveelh. koelm. in kg.

T. log. gem.

u.

Koelend oPp. in m~ Inw. diam. pypen in mm. Meters pyp Lengte pypen in m Aantal pypen Dikte pypenbundel ip cm.

.

~

320

freon

o

o

1

2,065

13

~

41

25

522

1,5

348

85 Flensdiam. freondamp in mm. 116 Flensdiam. gastoev. in mm. Volume koelmiddel in litr.

Aantal passes'

212

117

o

.

,

ort QO

r

2020 water

20

1

9,65

28 600

---

120,3

-25

1535

3 512 160

467

9,8 13 water

-

20 80 1 2,18 100 600

---9,12

25

116 1 116 60 241

2,2

13

26.

Omdat by condensor/koeler (. kokend freon als koelmiddel wordt gebruikt, wordt dit apparaat staand uitgevoerd.

DESTILLATIEKOLOM

A.

====================

Aantal theoretische schotels

"practische ~

Afstand tussen 2 schotels

= 6

cm.

]

=

10

=

60

Hoogte kolom

=

6 meter

Temp. top = 11 gr. C.

Refluxverh.

=

1 : 1,65

Mol. gew. destillaat

=

44

Dichtheid dest11actt

=

0,53 kg/lt

Hoeveelheiddestillaat

=

0,536 kg/sec.

?

l.JuVv(Vh

----

~

= 1930 kg/uur

Hoeveelheid damp over de top

=

1,65 x 1930

=

3180 kg/uur

44 237 12 dichtheid damp = x x = 22,7 kg/m3 f 22,4 284 1 /

l

530 / / Dampsnelheid

=

U

=

0,06 x - - 1

=

0,284 m/sec P '-22,7 3180

Volume stroom =

₌

140,3 mvuur .3

=

0,039 ID!sec. .3

22,7

Doorsnetje = F = = 0,1375 m2..

0,284

----~>? Diameter D = 0,418 meter

Bodem

gem. mol. gew. 84,5

druk 12 atm.

gem. verd. warmte 280 J/gram

gem. dichtheid 0,64 kg/lt.

shhote1afstand 60 cm.

kete 1warmte 883 K.V1.

\ \

\

883000 dampstroom

=

- - - - = 3155 gram/sec. 280 84,5 237 12 26,15 kg/m~ dichtheid damp

=

x x _

₌

22,4 473 1

640

dampsnelheid

=

U

₌

0,06 -~l = 0,297 m/sec. 26,15 volumestroom

=

3,155 26,15 0,1205 doorsnede

=

F

=

=

0,1205. nl'lsec 0,297 :t

=

0,407 m ---~> Diameter

=

D

=

0,718 meter

De diam. van de top is 0,418 meter. Dit verschil is te groot om de hele kolom maar dezelfde afmetingen te geven. we nemen daarom :

Topdiameter

=

50 cm. Bodemdiameter = 75 cm.

De invoer geschiedt boven de vyfde schotel.

Aangezien de diameter boven de voedingsschotel vry gering

28.

is w0rdt dit gedeelte van de kolom gepakt met Raschig-ringen. De diameter van een gepakte kolom kan ook nog op

een andere manier berekend worden, en·is dan zeer sterk afhanke1yk van het soort ringen wat men gebruikt. Daarom wordt het hier achterwegen gelaten.

De waarde 0,06 die in de formule nm de dampsnelheid uit te rekenen gebruikt wordt is een constante die voor deze kolommen geldt.

De resultaten van de berekeningen aan de andere

destillaat ie kolommen kan men vinden in de nu volgende tabel.

AAntal theor. schotels.

"

pract. ft

schotelafstand in cm. hoogte kolom in meter

TOP

--- temperatuur in gr. C.

re fluxverh. mol. gew. dest. dichth. dest. ~/ Ja,. kg destillaat

kg damp over tpp per uur

dichth. damp in kg/m3 dampsnelheid in m/sec. '1 volumestroom in m/sec. d oorsne de in m! diameter in m.

60

6,60

80,1

0,15

78,1 0,814

4,56

18880 2,69

1,045

1,95 1,R65

1,54

• ... o

7,80

152,4

0,66

120,2

0,75

1,0~8 6200 3,45

0,884

0,500

0,566

0,85

29 •

I I

\

BODEM:

gem. mol. gew. druk in atm.

gem. verd. warmte in J/gr. gem. dichtheid in kg/lt. ke te lwarmte in K. ~;,1 • dampstr. in gr./sec. dichtheid damp in kg/m3 dampsnelheid in m./sec. volumestroom ip m./sec. ~ doorsnede in m. diameter in meters invoerhoogte no. schotel soort kolom

diameter kolom in meters

125 1 314 0,75 2135

6790

3,58

0,866

1,895 2,19

(1,67

8 1,'iU • ( ) 162 1

280

0,75 561

2005

4,105

0,809

0,489

0,605

0,877

8 schotel

0,90

- _____

I

\

In het fabriekschema komt verder nog een doseerrompje

voor dat per uur 13,64 liter water aan de grondstoffen

toe-voegt.

In de materiaal- en stofbalans is met deze hoeveelheid geen rekening gehouden.

PQmQ voor rec~cle benzeen: Capaciteit

no. pomp

buiswydte zuig kant

vermogen

aantal toeren

Pomp voor destillaatiekolom C,

Capaciteit no. pomp buiswydte zu.igkant vermogen aantal toeren 325 L/min. SY2 50 mme 0,96

P

.K.

1300 100 L/min. L 1,5 40 mm. 0,61 P .K. 2165 aanvulling: a. b.

Koeler n is een spiraalkoe1er. De afmetingen

hiervan zyn helemaal afhankelyk van de plaatsing. Daarom

zyn deze in de tabel ook niet gegeven. Op de tekening is hy 2-dimensionaal weergegeven met:

totale breedte = 2,26 meter

11' _lengte

₌

_2,28 11

Het koelwater zit in pypen van 32 mme inw. diam.

By de warmtewisselaars is nergens de T.log. gem.

gecorri-geerd. Dit is niet gebeur~ omdat die correcties klein zyn

ver-geleken by de fouten die we kunnen maken by het aannemen van

een waarde voor de warmte-overdrachtsco~fficient.

~

31. 1

--.

STOOM . /0 f<ECYCLE P'\UAA\J ~~coEEN

---

-

-T

BENZEEN KCFLW . K.W CUMEEN DOWTHERM.A -e'~

ê]

U ~·-

~K

~ill

-;:::::::; KW. CLMfEN J.J .J. BOSCH APRIL lG63 SCHAAL 1 : 2C