Verslag behorende bij het processchema: Bereiding van methyl-aethyl-keton uit secundair-butyl-alcohol

I

i

; 1 1 -,

~

1 ___ __ 1_,

~==

--

---_

~ ,-- --1::;_

~=r

~

--_--_

-~--~.J.îL..:.::

~

J];~=

:~

-____r:

---,\

f

~

-

-

._--: '

,

'

~""'îJ

:

Ib

~

1 } _ ___ _ - --11 -I 1

L

-

-

--J

--'

I I I I ~ I - -- -~ -l ... __ --1

R.M.M. Jessurun Oudraadtweg 21 Delft.

tel. 21800

Bereiding van methyl-aethyl-keton

uit secundair-buty1-a1coho1

Inhoudsopgave: _{=======:::_-===}

Hoofdstuk I : diverse bereidingswijzen

Hoofdst~ 11 : eigenschappen en toepassingen Hoofdstuk III : de gekozen bereidingsmethode Hoofdstuk IV : massabalans

Hoofdstuk V : warmtebalans

Hoofdstuk VI : berekening van de warmtewisselaar Z Literatuurlijst: blz. blz. blz. blz. blz. blz. blz. 2 4 6 12

31

51

61

rl ::c

.\-t

! f

r-'j(. \.L \ f---' -_._---=> _.---"----_ .. -_._-~ " ,

l

-_._---.. -.. _--.

~

+> v .:1 )?-<> uJ .'0 ~ ;;::: ~ "'t!.l . --d (

f"

-J

' _____

1

\._'1

oJ ~ l---~

f

L - {i>l---

.-___

._._._J

,.,.. ~ I. j .. ' t.O -+J > \--" -.-~ r:: . s --- ---x

t

·_---1

t

I , , 1 --;ï ..Y ---i ---._----.--<0 . -! ---.- .. - ';>-0 .. ~..J :::rul cl ~ 1 I

I

1-L

l

"cA

J

~uJ i.L e---~~ ~

~lir

\ , ' ..

.,

\ i

I

!

t

I

~-;1

+

2

I.

t

:

...

---..

C=-_~

..

~~~--.

u,}

,

LQ

..

~

-t

c--_____ . _ .. _ .. ____ . _____ . __ . __ ._. __ . .!

1. De door ons gekozen bereidingswijze van MEK (methyl-~ethyl­

keton) bestaat uit de dehydrogenering van SBA (secundair butyl-alcohol) volgens:

y

H3

_f

H

₃

H-C-oH 0=0 I ----~ ï + H2 ?H2 yH2 CH

3

CH

3

Deze methode zal later uitvoeriger worden behandeld.

2. Een andere methode die niet meer wordt toegepast bestond uit de behandeling van methyl-aceto-acetaat met zwavelzuur

gevolgd door een destillatie.

3.

Een kleinere hoeveelheid MEK wordt verkregen uit het

vloeibare product van de koolwaterstof-oxydatie, nl. bij de bereiding van aceetaldehyde door oxydatie van butaan.

4. Een methode die enigszins lijkt op de eerste is de selectieve oxydatie van SBA.

SBA- dampen en lucht wDrden geleid over Cu en/of Ag-metaal bij 450 - 500 °C.

Tegelijkertijd treden dan twee reacties op, nl. selectieve oxydatie en dehydrogenering.

De luchthoeveelheid die gebruikt wordt is die nodig om de temperatuur van de reactor op peil te houden.

y

H3 H-C-oH I

9

H 2 CH

3

y

H₃ 0=0 I ?H2 CH

3

+ H 2

5.

Een andere oude methode die ook niet meer wordt toegepast is:

azijnzuur + propionzuur -!~2=5~~~ MEK

450°C

6. Dehydratatie van 2,3-butyleenglycol (of isobutyleenglycol). Dit laatste wordt verkregen uit melasse of graan.

7.

Uit benzel en n-buteen maakt men isobutylbenzeen.

Dit wordt dan geoxydeerd met lucht tot methyl-aethyl-benzyl-hydroperoxyde.

Vervolgens behandelen we dit laatste met 10

%

H₂S0₄, waarbij

phenol en MEK ont staan.

8. Een werkwijze die ongeveer gelijk is aan die onder

2.

is

Ca-zouten van de zuren verhitten, geeft: MEK + CaC0

3

•

9.

Uit buteen via het buteen-chloorhydrine, dat verkregen wordt

door de inwerking van een hypochloorzure oplossing (HCIO) of van een mengsel van tertiair-butyl-hypochloriet en water op but een.

Het chloorhydrine is het 2-chloorbutanol-3.

Dit geeft met water: MEK en HC1.

10. Uit acetyleen via aceetaldehyde, aldol, 1-3 butyleenglycol. 11. Condensatie van aetbyleen en acetylchloride onder invloed

van AIC1

3 geeft metbyl-vinyl-keton.

Dit hydrogeneren geeft MEK.

12. Aceton, methanol en waterstof worden bij 150 - 400 °C. geleid over AI-Cu katalysator.

Er zijn nog enkele methoden die echter niet worden toegepast door het lage rendement, de extreme omstandigheden voor de

") i', { L ~ Iud

Hoofdstuk 11

===========-=

MEK is een kleurloze, brandbare vloeistof met ongeveer

dezelfde reuk als aceton.

Het is oplosbaar in water, alcohol, aether, benzeen, etc. en mengbaar met olie. Dit verklaart enkele van de toepassingen die hieronder genoemd zullen worden.

Gezegd kan worden dat MEK over he-c algemeen gebruikt wordt als

1. oplosmiddel, en in mindere mate als 2. chemisch tussenproduct.

ad 1. Als oplosmiddel vooral in de verfindustrie;

~---met __ Ei~_ro-cellulose en vinylharsen.

Ook steeds meer in film-vormers als: cellulose-acetaat, cellulose-acetaat-butyraat, acryl-harsen.

Verder bij het maken van nitrocellulose,... cementen, kunst-leer, fotografische films, reinigingsmiddelen om verf en lak te verwijderen.

Ook wordt MEK gebruikt voor de verwijdering van olie en vet uit wollen stoffen.

Zeker moet ook genoemd worden de toepassing van MEK bij

het raffineren van smeerolie. En wel als "dewaxing agent" dus voor de verwijdering van paraffinen.

ad 2. Als chemische tussenproduct wordt MEK gebruikt bij de be~

---reiding van methyl-isopropyl-keton (uit MEK en formaldehyde) en secundair butylamine (MEK, NH

3

en H2).

Tot nu toe wordt aethyl-acetaat meer gebruikt als oplosmiddel dan MEK, omdat het eerstgenoemde goedkoper is. (De prijs van acetaat wordt bepaald door die van

aethyl-alcohol waaruit het gemaakt wordt).

6

De jaarproductie van MEK is 140. 10 lb., terwijl de prijs

<:

in november 1951: 11 t/lb, bedroeg. : 0,:1 '"

hoeveelheden van die grondstof voor de productie van SBA.

De conversie-kosten voor de productie van MEK bedragen slechts

een fractie van 1 ~ per pound.

Aceton is momenteel het belangrijkste handels-keton in Amerika. Direct daarop volgt MEK.

Ze hebben beide dezelfde oplossende werking. Evenwel is MEK minder oplosbaar in water en heeft een lagere dampspanning

(hoger koo~punt). Door deze eigenschappen is MEK soms te

ver-kiezen boven aceton, wanneer dus niet uitsluitend gelet wordt

op de oplossende werking.

Ofschoon de vinyl-harsen bijvoorbeeld oplosbaar zijn in vele vloeistoffen, gebruikt men vaak MEK omdat de oplosbaarheid daarin groot is, terwijl de viscositeit van de oplossing toch laag b lij ft.

5,

Door de Shell Chemical Corp. en Esso Standard Oil wordt ongeveer

95

%

van de totale jaarproductie van MEK gemaakt.

\00 '0 , , \')4\

X.

0.\';-

-t

-

-y

c.ol.) i 1 - -_ ---11 - - , '-r-' - - " - . _ _ ,,_ .. • _, '_' \~~I., 1~'10 \~~:L \~'-\2 \')'30

! ~ '.

I '

? Hoofdstuk III ==============

Wij bereiden

MEK

dus door dehydrogenering van SBA. Di t gebeurt; in de gasfase • Daarom gaan we eerst de SBA-voeding verdampen en mengen met wat waterstof.

Dit H₂-gas ontstaat in het proces zelf en een gedeelte daarvan wordt dus gewoon teruggevoerd. Bij aanwezigheid van d~z~

waterstof waarbij een bepaalde partiaalspanning van het _ _ .. . 0 - - - _ _ . _

SBA-gas

hoort, verloopt de reactie het beste.

Daar het kookpunt van de voeding ongeveer 100 oe bedraagt en de temperatuur in de reactor 480 oe moet zijn, gaan we het gas eerst leiden door een warmtewisselaar waar het opgewarmd wordt door de hete reactie-gassen.

)

Zodoende stijgt de temperatuur van de "ongereageerde gassen"

tot ongeveer 350 oe. Zo komt deze voeding dan

b~ven

'ïn de ') UW""

reactor. Deze is Uitgevoerd als een warmtewisselaar, waarbij

, in de buisjes de katalysator-massa zit ondersteund door een rooster.

Wel moeten we natuurlijk oppassen dat zich op de duur in de stalen pijpen geen roet gaat afzetten, hetgeen bij de hoge

temperatuur kan ontstaan door kraking van de organische stoffen. De buizen zijn niet helemaal gevuld met katalysator, daar het

gas in het bovenste deel van de reactor nog verhit moet worden van 350 oe tiot de reactie-temperatuur.

De warmte die hier in de reactor nodig is, dus zowel de boven-genoemde calorieën voor de verhitting van de voedingsgassen als de endotherme reactie-warmte wordt geleverd door hete _{_.}

-..

rookgassen die om de buisjes in de reactor stromen.

\

Hi~rdoor krijgen we een goede warmte-verdeling in de reactor,

, waardoor plaatselijke oververhitting voorkomen wordt.

Wat de katalysator betreft, hiervoor zijn in de loop der jaren diverse soorten toegepast, alle met hun typische voor- en na-delen.

1.: Oorspronkelijk werd Cu gebruikt als dehydrogeneringskata-lysator. Deze had echter het nadeel van een korte levens-duur hetgeen mede veroorzaakt werd door de~hoge reactie-temperatuur •

- - -

-Dit is dan ook de reden waarom men toen overgestapt is naar: 2.: Enkele moeilijk reduceerbare oxyden zoals

znO,

MgG,

oe0

₂•

Door de aanwezigheid van waterstof moeten deze oxyden wel moeilijk-reduceerbaar zijn.

~ Ook mengsels van 1. en 2. werden toegepast.

Nadeel echter van deze oxyden is dat ze niet alleen de

alcohol dehydrogeneren, maar tevens ook dehydrateren hetgeen de vorming van veel olefine ten gevolge heeft.

4.: Om deze dehydratatie tegen te gaan werden de moeilijk-reduceerbare oxyden gemengd met alkali- of aardalkali-carbonaten of hydroxyden.

Deze maken de katalysatoren echter thermisch minder stabiel met het gevolg dat die een kortere levensduur heeft en meer vatbaar wordt voor vergiftiging.

~: Alle bovengenoemde nadelen worden tegengegaan, in sterke mate door een mengsel te gebruiken van znO (94 %) en zr0

2 (6 %). Dit mengsel heeft het voordeel van een goede activiteit, thermische stabiliteit, levensduur en weerstand tegen onzui verheden in de voeding.

Als dr~_~~ kan men dan nemen puimsteen (gemalen of als

--_._

-

----pillen) en stale~ of messing krullen. Ook cokes is wel te

ge-~-

----

_.

-

---

-

---brui ken , maar die moet dan een laag as-gehalte (8i0

2) gevatten daar we anders veel olefinen gevormd krijgen. .

Bij de metalen dragers moeten we steeds oppassen dat ze niet gaan versmelten en samenballen, terwijl bij puimsteen het gevaar bestaat voor verpulveren.

Wij hebben uiteindelijk als katalysator geko'zen: ,

ZnO met 6

%

zr0

_{2 op puimsteen vanwege de bovengenoemde voordelen} en de betrekkelijke lage prijs.

Deze katalysator wordt als volgt bereid:

Beide oxyden worden gepoederd en vervolgens gemengd. Dan voegen we water toe en maken een dikKe slurry (ongeveer

evengroot volume water als het volume van het poedermengsel). De pap wordt dan aangebracht op de drager en gedroogd bij 80 0₀

I ~.

j

7

!

Als zr0₂-component kwmen we het Zr-mineraal "Tamopax" nemen dat geleverd wordt door een Amerikaanse firma("Titanium Alloy

Manufacturing Company") Dit bevat: zr0₂ 87,97

%

8i0 2 8,49

%

A1₂0 3 0,38 % MgD 0,30 % Na₂0 (als silicaat) 1,50

%

Ti0 2 0,30

%

Fe₂0 3 0,08

%

Zoals reeds vermeld bestaat de kans op roet-afzetting in de buisjes van de reactor. Dit treedt vooral op als die buizen van

~ri~_ i~~er~ijn. Tengevolge van de roet krij gen we dan een kleine

opbrengst aan MEK en veel bijproducten gevormd, doordat het

katalysator-oppervlak gedeeltelijk bedekt raakt met die koolstof.

Waarschijnlijk is de legering "Alleghenny" nog het beste.

Deze bestaat uit: Cr

Ni U" 16 - 20

%

.

I ( ... , ' D , . ,I . L~ IJ\_o Mn C Fe 7 - 10 % kleiner dan 0,5

%

kleiner dan 0,12

%

rest.

Ons proces heeft alsnog enkele nadelen a. De temperatuur is relatief hoog (480 °C)

b. Reactie is in de dampfase

DIt brengt weer gevolgen met zich mee, nl.:

\ l .. ....

1. Belangrijke kosten aan energie om de temperatuur te verhogen. 2. Sl~jtage van de katalysator door wrijving en samenèallen van

de korrels.

3.

Reactie is niet compleet; dus moet de niet-gereageerde

ilèOhol

worden teruggevoerd. 4. Nevenreacties treden op.

Zo _{krijgen we CH4 , CO, CO2 ' buteen gevormd en wordt de verkregen}

waterstof onzuiver.

Daarom is .men op het ogenblik in Frankrijk bezig met de

ex-'1

iJ. ~; . perimenten voor een nieuw proces en wel in de !!~!.ê.~2.f:fê:~!

\\,V waarbij de reactie-temperatuur lager ligt en als katalysator

een zwaar metaal gebruikt wordt.

Na deze tamelijk uitvoerige behandeling van de reactor gaan we verder met het proces-schema:

De ~eactiegassen welke de reactor verlaten worden teruggeleid naar de bovengenoemde warmtewisselaar, waar ze

de inkomende gassen kunrlen opwarmen en zo zelf heel wat calorieën kwijt raken.

Ze verlaten deze warmtewisselaar weer met een temperatuur van 200 oe en het grootste deel wordt nu vloeibaar gemaakt in een condensor.

In een daarachter gelegen afscheider wordt het gas gescheiden van de vloeistof.

Laatstgenoemde loopt direct naar een opslagtank.

Het gas echter wordt naar een wast oren geleid, die met ringen gevuld is. Hier wordt het uitgewassen met een niet-vluchtig oplosmiddel (in dit geval: water), waarbij het grootste deel van de waardevolle componenten (zoals: MEK en SBA) in de vloei-stof gaan zitten.

Deze oplossing wordt onder uit de wastoren getapt en met die uit

de eerder-genoemde afscheider gemengd in de voorraadtank.

De waterstof lost niet op in het water van de wastoren en verlaat die samen met wat verontreinigingen van boven weer.

Een deel wordt dan geleid naar de ingang van het proces, terwijl de rest wordt afgevoerd.

De MEK-oplossing uit de voorraadtank leiden we via een voorwarmer als voeding in de eerste destillatie-toren. De azeotropen van MEK en SBA met water verdwijnen hier over

--

-

-

-

_.

-

--

~.-

- .

-

--

.-... ,,- ..,..-

-de top, terwijl -de grote hoeveelheid water, waarin -de geringe hoeveelheid van als bijproduct gevormde EAK-polymeer (ethyl-penthenyl-keton) is opgelost, als bodemproduct wordt afgetapt. Dit ketelproduct wordt verwijderd; het destillaat echter wordt

gecondenseerd en weer in ,een voorr8;ad-va~ g~v~egd. : '.' \ .1.' • '. nA

~ .1. \,\\[(.-1 .,-\~.:J:''- kv...,- t-'iv. ('<I'Ct- ~,v,~~.J.IL "J\., . . , \ ,(

" ,,-<,. \ "'" \C." !~~i )f<.ti"'-,,",,,

Met een pompje transporteren we deze vloei~tof dan naar

2~ ~

de~destillatie-toren.

we de MEK - H_{20 azeotroop, terwijl het SBA - H20-mengsel de kolom} van onderen verlaat.

Het destillaat wordt gecondenseerd en vervolgens in een warmte-wisselaar gemengd met het gecondenseerde topproduct uit de

derde destillatie-toren. Hierop komen we straks terug.

Na de warmtewisselaar komt de azeotroop in een vat waar die ontlucht wordt om zodoende iJ:let) Bu= (buteengas) dat als bijproduct is .,

ontstaan in de

reac~~r,

kwijt te raken. Dit gas zou anders in \

?~~~

het systeem bli~_.Y_~E:_~_~tten en zi eh zo steeds meer ophopen. Deze geringe hoeveelheid Bu= kan verder verbrand worden en

dan gevoegd bij de rookgassen voor verhitting van de reactor. Na de ontlucht-tank komt de azeotroop in een uitzouter. Hier stroomt die door een bed van vast NaGl, waarbij een scheiding

optreedt in twee lagen. De onderste pekellaag bevat bijna al het water, terwijl daarboven een laag van nagenoeg droge MEK komt drijven. De pekellaag wordt verwijderd, terwijl de

MEK

weer in opslagtank komt.

Het drogen van de MEK kan dus gebeuren: 1. Door uit zouten met NaGlof ook met GaG1 2

,

el'/-2. Verder kunnen wevook een ternàir mengsel van maken door aan

de MEK-H₂0-azeotroop benzeen toe te voegen.

2

Het kookpunt van dit ternair sys~eem is

68,9

oe en het bevat

~

17,5

% MEK en

8,9

% _H20.

Nadat alle water dus overgekookt is, gaan we nog even verder

met destilleren, waardoor dan ook de laatste hoeveelheden benzeen verdwijnen als binaire a,zeotrQop ~_

met MEK.

Kookpunt van het binaire systeem MEK-benzeen is

78,35

°Gf en het bevat

37,5

%

(gew.

%)

MF~.

In de ketel houden we dus droge

MEK

over.

2.

Ook zouden we gewoon de MEK uit het watermengsel kunnen extraheren met een organisch oplosmiddel. We moeten dan wel een derde component kiezen die geen azeotroop met de

MEK vormt of anders een azeotroop die vee\ ri,j-ker is aan MEK

. I

dan de eerste. {v(l(I.;LJ •

.---"'

\

- Wij hebben echter als droogsysteem het uitzouten met NaGI ge-ko~~n omdat dit tot nu toe het eenvoudigste en goedkoopste is.

\ U . l , . 1 i. ; ~ J'-,l'-I .. :. \ ~"'i' '

Zoals gezegd komt de MEK na de uitzouter in een op-slagtank en wordt dan via een voorverhitter gepompt naar de derde destillatie-toren.

Hier wordt het laatste restje water uit de MEK verwijderd als MEK-H₂0 azeotroop die als topproduct overkomt.

Dit destillaat wordt gecondenseerd en dan gevoegd bij de hoofd-stroom direct na de condensor van de tweede destillatie-toren. Deze beide stromen bestaan uit de MEK-H20 azeotroop en komen

later weer in de uitzouter terecht.

Het bodemproduct uit de derde destillatie-toren bestaat nu uit nagenoeg zui~er MEK. Het wordt afgekoeld en beschouwd als

~

eindproduct. ~

?

11.

We komen nu even terug op het bodemproduct uit de tweede destillatie-toren. Dit bestond zoals gezegd uit de SBA-H₂0 azeotroop. Het is geen grote hoeveelheid maar de SBA··daaruit kan na droging weer worden teruggevoerd naar de ingang van het proces.

Voor het drpgen gaan we ook deze azeotroop uitzouten zoals eerder beschreven. De bovendrijvende alcohollaag wordt daarna opgeslagen in een tank en van daaruit teruggepompt naar de ingang van het proces.

') Hoofdstuk IV ============= \ \11 \vt ( (/(~, ".' Massabalans :

'.

1. Voeding:

!

( \.,

~ckt

Totale vloeibare voeding is 1000 kg (99 % S~

rj,t ,

:

( !

Dus: 990 kg SBA + 10 kg H

20 - - -

I

-(I ,.(.?,(L ~_,kl \ f

MsBA = 74

MH

°

= 18

2

Vloeibare voeding bestaat uit: 13,38 kmol SBA + 0,556 kmol H₂0

=

13,936 kmol totaal.

Dit wordt gemengd mét een, aeq~IIl~~_~culair~)hoeveelheid H_2-gas

(verontreinigd) uit de top van de wasto·re-n.

stel temperatuur waporen (A)

=

20 oe. (omgevingstemperatuur) Daar het gas hier in innig contact is gebracht met het

water kunnen we aannemen dat dit gas bij verlaten van A / I

.f ( / 1 - /1<l0wU .... "

verzadigd is aan waterdamp . ... h .. , U\/I"" {(~ .I/ut _{, (,h ...}

r

_{Lt., I , J :}

De waterdampsparming bij 20 oe

=

17,535 mm Hg Totaalspanning van het gas

=

1 atm

Dus het bevat: 17,535 • 100

%

=

760

Verder nog: 0,5

%

MEK 0,3

%

Bu= 96.89

%

_H2

Van dit gas is nodig: 13.936 kmol, en van de volgende samen-ste11ing:(uitgedrukt in kmol en kg~. stof

--

..

--

-'-~:~l"--

I

kg

--- ---=;----

1

---2.31 32.2.10 _' 5.78 % 0,5 6,968. 10-2 5,02 0,3 4,17. 10-2 2,34 96,89 1350,0. 10-2 27,6

---

--- ---

---Totaal 100,0

139~6.

10-2 40.14

2. Verdamper B:

Alle vloeibare voeding wordt hier verdampt; dus na B is alles in de gasfase en wel:

_~~2f

____ !6 ___________

~!2!

___________

~

________ _

SBA 990,0 1338,0. 10-2 95,2 H₂0 15,78 887,8. 10-2 1,5 MEK 5,02 6,968. 10-2 0,48 H 2 27,0 1350,0. 10-2 _2,6 Bu= 2,34 4,17 • 10-2 0,23 ---~---~---~---~--Tot. 1040,14 3586,938. 10-2 100,0

---Dit passeert de warmtewisselaar C en komt in de reactor D.

/

I \) ... ".'

2..

Reactor D:

De katalysator bestaat uit: 94

%

znO en 6

%

zr0_{2 op puimsteen.}

De reactietempera~uur is: 480

°C.

I

/De voedingssnelheid is: 3,0 liter 93,8

%

van de SBA wordt omgezet.

Van het verkregen product is: MEK 96,0

%

Bu= _2.0

_%

EAK 1,83

%

alcohol/liter katalysator, h.

We hadden als invoer 990 kg SBA; hiervan wordt omgezet:

f3

06

8

_{.990 = 929 kg.}

Dus over is: 990 - 929 a 61 kg SBA

Verkregen wordt dan: 929 kg product met de samenstelling: stof

MEK

Bua SBA

___

~_______

_ ___

~5

____ _

96,0 2,0 1,83 0,17 890,0 18,58 17,0 61,0 kmol

---

---0,825

0,135

I

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

r

---Totaal 100,0 929,0 . 13,692 I

I

I I _ _ _ _ _ _ _ _ ... _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ .... _ _ _ _ _ _

De optredende reacties zijn:

?H3

y

H3 H-C-OH C=û i ---~ I _{+ H} 2

9

H_{2 yH2} CH

₃

CH 3 ?H3

y

H3 H-C-OH ---~ OH _H20 I 11 + ?H2 CH

,

OH 3 CH3

2

y

H

₃

H-{}-GH \ ?H2 CH

3

--.,..~

Dus uit de reactor komt:

-stof kg

---

---MEK 895,02 SBA 61,0 Bu ". 20,92 EAK 17,0 H20 24,19 H₂ 52,34

---

---Totaal 1070,47 15. + kmo1 _%

---

t---....,---12,47 83,8 0,825 5,7 0,374 2,0 0,135 1,6 1,344 2,2 26,17 4,8

---

-

---

1-

---41,318 100,0

I .f" '') d.-_, \ . _{, ,} v . . Ir." " t ,'" 'llf.," 4. Condensor E: J\ .. !L~

stel de temperatuur op 30 oe.

Kookpunt van MEK 79,57

°c

SBA 99,8

, ,

H₂0 : 100,0

,

,

lAK 160,0

,

,

Bu·

.

.

0

,

,

H₂ :-252,7

, ,

In de voeding van de condensor E is:

stof molfractie

---

---

---

---SB! 2,0 lAK 0,327 MEK 30,2 0,904 partiaal druk (mm Hg)

---40,0 3,12 203,0

--- ---

---~---~---Door de aanwezigheid van het Bu· (dat niet condenseert)

is de exacte berekening onmogelijk.

H

2.

SC(!..,

&-

"

,0

11\,"; ?

Te oordelen naar de molfracties en de part i aal spanningen en verder de geringe oplosbaarheid van Bu· en H2 in vloei -stoffen kunnen we zeggen dat SBA, H20 en EAK volledig zullen condenseren.

Verder condenseert van de hoeveelheid MEK: 70

%

in de condensor,

terwijl Bu= en H2 volledig in de gasfase achterblijven. Na de afscheider F hebben we dus in de vloeistoffase:

.. _ . . . ---_ ... _ - - - . - - - --., stof kg kmo1

%

---

---~

---

---MEK

598,0 8,29 85,3 61,0 24,19 17,0 0,825 1,344-0,134

---

1

---

]

~~~~:~

_______

~~~~~:

_____

l

___

~~~:::

___ _

8,7 3,5 2,4 100,0

En in de gasfase: " , -stof kg kmo1 %

--- ---

---_

...

_--

-

...

_---MEK

297,02 4,18 80,0 Bu

=

20,92 0,374 5,6 H2 52,34 26,17 14,2 ---

--- ---

---Totaal 370,28 30,724 100,0

-________

J

---

---

---De vloeistoffase gaat via een opslagtank direct naar de

eerste destillatietoren

g.

, . l

\

\~I. (\,.l(\"

2.-

Wastoren A:

We nemen aan, dat geen waterstof oplost in het waswater, dus alle H₂ (26,17 kmol) verlaat A weer van boven.

Het gas uit ~, dat weer gebruikt wordt voor de voeding (tak K)

was: 13,936 kmol.

Hierin zat 13,5 kmol

H2-Het gas dat langs

M

wordt afgevoerd (spui) heeft dez~lfde

samenstel-ling al s dat langs ~.

In 13,936 knol gas zit 13,5 kmol H2' dus 26,17 kmo1

H

_{2 zit in:}

26,17 • 13,936

=

27 kmol gas. 13,5

Dit is dus de totale hoeveelheid gas welke de wastoren

!

van boven verlaat. Hierin zit: stof:

%

.kg kmol -~---

--- ---

---96,89 0,5 0,3 2,31

---

...

---52,34 9,72 4,53 11,24 77,83

---26,17 0,135 0,081 0,623 27,0

---In het waswater lost dus op: het verschil tussen de in- en ui tvoer aan gas, en we 1 :

MEK 287,30 kg of 4,045 kmol

~

Bu· 16,39 kg of 0,293 kmol ·L.~

/ ,

-'1

~

~~l

de verkregen

OPIOSSing

i

2à

.i

~

aan MEK laten zijn. Stel, dat we moeten toevoegen: ' :x: kg waswater.

In totaal komt dan onder uit A: ( x + 287,3 + 16,39 ) kg vloeistof. (waarin de 16,39 kg Bu· gas is opgelost).

20

Dus: • (x + 287,3 + 16,39)

=

287,3

x

=

1132,81 kg waswater. ~ ! ~-t'.' , t

Dus in totaal toevoegen: 1132,81 + 11,24 = 1144 kg H20

- 1144 _{liter H20Jh} (daar 11,24 kg in de gasfase verdwijnt)

Het gas dat langs

M

wordt afgevoerd

=

27 - 13,936 = 13,064 kmol

=

37,69 kg. Hierin zit:

---r-

-'---

-..,.--

- - - -

----r---

---,

stof:

%

kg kmol ---~---

---

---H 20 2,31 5,46 0,301 Bu'" 0,3 2,19 0,039

MEK

0,5 4,7 0,06 H2 96,89 25,34 12,67

--- --- --- ---+

Totaal _100,0

1

_37,69

---

---13,064 ---~

Onder uit A komt dus een oplossing

eN)

met samenstelling:

stof: kg kmol

_%

---

---

---

---H20 1132,81 62,9 78,8 MEK 287,3 4,045 20,0 Bu

...

16,39 0,293 1,14

--- ---

---

_---+

Totaal 1436,50 67,238 100,0

---

-

...

--- -

---19.

Deze vloeistof (!) wordt gemengd met die (~)t uit de afscheider! en naar de eerste destillatietoren H gevoerd.

6. Eerste destillatietoren H: De voeding hiervan bestaat uit:

stof:

---

...

--

.... SBA EAK Totaal

---

...

---

....

-

k;

---

--·----~~ol-·---l-- %

---

---i---1157,0 64,244 54,0 885,3 12,335 -:41 •

.5-

)

16,39 0,293 0,77 61,0 17 0,825 0,134 2,86 0,80

I

--~:~:~:;---- ---;;~:;:----

]

---:::~:----+

---

---~---

---Azeotroopmengsels: ' - - - , -- - - ---_ .. ~---, mengsel:

--.,---

-~--~----~--

---73,45 11,3 87,3 27,3

---

---Lichte sleutelcomponent is de SBA - R

20 - azeotroop

Zware sleutel component is het water.

Î

I" t J (c

I

"---Bij -de eerste destillatietoren gaat over de top (destillaat)

\, \.) _ \0-'"" '/ alle Bu· f alle MEK als

ME~

- Ri> -azeojiroop en 90 % van de SBA.

\ \\ ') ,

-

-..

----

_.

--

.--

---

--.

-

-

---\v"'("";\iY'"~ ~ _{als SBA - H20 - azeotroop.} -... R/v....!1-

'Ï--{An./:

C

,

J

{\\.

-(dl:' /.(,;.

It \ ~- .

\ ' ' I. . 'U d- l/Y 4~\II--,c...

tyv/'

Dus: stof: kg _kmol

---

_---

---1

I I Bu ,. 16,39 0,29, I I I

MEK

885,3 12,335 SM _{54,9 0.742}

j

---

_---

---Met deze MEK gaat mee: 11,3 gew.% _H20

=

_{x kg H20} Dus.: totaal (885,3 + x) kg.

Hieruit volgt: 11,3 .(885.3 + x)

=

x

100

En met de SBA:

₌

Dus het ~~~~~11~~~ bestaat uit:

stof: kg kmol

_%

---

_---

_---

---_

...

-Eu· _{16,39 0,293 1,5}

MEK

885,3 12,335 81,2 SBA 54,9 0,742 5,03 H20 133,3 7,415 12,2 (112,7 + 20,6)

--- ---

--

---Totaal 1089,89 20,785 100,0 I ---~

---~2~~!!!~!:2.~~g~: Dit is het verschil tussen de hoeveelheden voeding en destillaat. stof: kg kmol %

---

---

---

--- H20 1023,7 56,829 97,8 SB! 6,1 0,083 0,58 EAK 17,.0 0,134 1,62 ---

---

---_

..

_---

---

+ Totaal 1046,8 , 57,046 100,0

---

---

---

---2l.

z.

Tweede destillatietoren:

Het destillaat uit de eerste destillatietoren wordt gecondenseerd en als voeding gebruikt voor de tweede toren. Hier worden de beide azeotropen gescheiden.

De MEK - H₂0 - azeotroop gaat samen met Bu= als destillaat

over, terwijl als ketelproduct de SBA - H₂0 - azeotroop

achterblijft.

Dus: lichte sleutelcomponent is de MEK - H₂0 - azeotroop

zware sleutelcomponent is de SBA - H₂0 - azeotroop.

We stellen de reflux-verhouding bij deze destillatie zo in,

dat 0,5

%

van

de hoeveelheid MEK in het ketelproduct

achter-blijft, en

5

%

van de hoeveelheid SBA met het destillaat

verdwijnt.

Samenstelling van het ~!~t!!!!!~:

stof: kg kmol

---

_---

---'l3u = 16,39 0,293 MEK 880,87 12,23 SBA ~,75 0,037 H₂₀ 100,35 5,58 ---

---

...

---Totaal 1000,36 18,140 I

---~---~---Samenstelling van ~~~!!EE2~~2~:

stof: kg

I

: kmol

---

~

i

---4,43

I

0,062 . i 52,15

1

0,705 32,95 1,829

-

---89,53

1

2,596 ~---

---Totaal %

---1,64 88,1 0,28 10,0

-_

..

---100,0 % 4,95 58,2 36,8 - - - + 100,0

De hoeveelheid bodemproduct is het verschil tussen voeding

r

-8. Warmtewisselaar Z:

Door proberen vinden we nu hoeveel destillaat uit de

laatste destillatietoren R komt.

We proberen zo lang, tot we een eindproduct Cbodemproduct

ui t R) krij gen van minstens 98

%

aan MEK. ( __ »).t 0/ ; •• < k 1'(.( ( ; 1 tI' I ii {Ç..

Door insluiten van de goede waarde is gevonden dat 230 kg

destillaat voldoet, _{dus: 230 kg MEK - H20 -} azeotroop.

Dit bevat: - - - - . - - -- , - - - , - - - ' - T ' stof:

%

11,3 88,7 kg 26,0 204,0 ---~ kmol 1,45 2,83

En dit wordt gemengd met het destillaat van de tweede toren S.

Het geheel word-t dan geleid door de warmtewisselaar Z.

Door deze warmtewisselaar stroomt dus:

stof: kg kmol

%

---

---

---

---7 16,39 MEK 1084,87 0,293 15,09 0,037 1,33 (blijft gasvormg) 88,2 SBA 2,75 0,23 H₂= 126,35 . I I

---

~

_I

---

1-

_I

---~:;~

~

=~~~~~~;~~

:Jl

--:2~:::---7,02 10,27 100,0

2,-

Ontluchter U:

[2, ~.~

lP Jp"", ~:>." .. .l ~Î ' Direct na de warmtewisselaar Z wordt de vloeistof

ont-~i

l,v.t)~\\\(C:'

IluCht (in Q) om de Bu= kwijt te raken, anders zou die in

t).IJ..d , 0 ',~ \ de kringloop blijven en de hoeveelheid daarvan dus steeds

;

I,,:."

\, \: /' toenemen.

stel de temperatuur in

&

(en ook in Q) is: 25 oe.

Alle Bu= moet ontlucht worden, dus 16,39 kg = 0,293 kmol Bu=. verzadigde d~psp~­

Ding bij 25 C (mm Hg) in vloeistof spanning CIIlIILHg) percentage partiaaldamp-stof: ---~---~---~---23,76 90,6 10,27 88,2 2,24 80,0

---_._---Als we nu aannemen dat alleen Bu=, MEK en _H20 in de damp aanwezig zijn, dan is dus de druk van de Bu= damp

=

760 - 2,24 - 80

=

677.76 mm Hg

De hoeveelheid Bu=, die men laat ontsnappen = 0,293 kmol.

dus de hoeveelheid H

20 die in de damp zit en dus ook ver-dwijnt is:

Dit wordt in de volgende tabel weergegeven: Er verdwijnt dus: stof: kg kmol

%

_! ;

---

--- ---

---:" Bu = 16,39 0,293 86,4

MEK

2,49 / Q,0346 13,2 H20 0,017 0,0009 0,4

---

---Totaal 18,90 0.329 100,0

---

---

stof: kg kmo1

_%

--- --- ---

---2,75 1082,38 126,33 0,037 15,06 7,01 0,23 89,4 10,40

--- --- --- ---+

Totaal 1211,46 22,107 100,0

---

---

10. Uitz.outer V:

We laten de vloeistof lopen door een bed van vast keUKenzout.

De bovendrijvende MEK - la~g bevat_~aarna nog 3,5

%

water en wordt gebruikt als voeding in de derde destillatie-toren R.

Ook gaat 2

%

van de MEK en SBA in de pekellaag zitten. Dus de waterlaag uit de uitzouter V bevat:

stof: kg kmol %

---0,055

21,65 87,8 0,000743 0,3 4,87

0,05

19,78 80,2

---+

Totaal 109,505 5,17 100,0

---

-

-

-

---

---

---

...

11. Derde destillatietoren R:

Hier gaat de overgebleven geringe waterhoeveelheid

over de top als MEK _{- H20 - azeotroop.}

Als bodemproduct tappen we het nagenoeg droge en zuivere MEK

(eindproduct)

at.

De Y2~~~ van deze toren bestaat uit:

- - -

-

---

-,~ .... ----.. -stof: kg kmol % ---

---

----_

...

----

.... ---SBA 2,695

MEK

1060,73 H20 38,53 0,036257 14,75 2,14 0,24 96,1 3,60

--- --- --- ---+

Totaal 1101,955 I 16,93 100,0

_________

J

_______________ _

Destillaat: (dit hadden we eerder al berekend)

---

---r-_.

stof: I kg

---

~

---MEK

Totaal

i

204 26 230 kmol 2,84 1,44 4,28 % 88,8 11,2

---+

100,0

--- --- ---

---!!~!!~f2~~~~: (dus het uiteindelijke product)

T - -- ----stof:

I

kg

I

kmol

---

,

---

~

---I

'I

MEK

856,73 11,91 H₂₀ 12,53

I

0,7 SBA 2,695

I

0,04 1 ;

---

---~---r ---(

~:::~

___

Jl

____

~:~~~::

____

l

___

~~~~~

____ _

%

I

---

1

:

9~:~

,~v~~,

I

. 0,2 \ / i ---~---+ 100,0

i

---____ ---

1

*'

12. Uitzouter W:

Het bodemproduct uit de tweede destillatietoren ~

bestaat uit de SBA - _{H20 - azeotroop en moet dus weer worden}

teruggevoerd naar de ingang van het proces.

Hiervóór moet echter de grootste hoeveelheid water ver-wijderd worden door uitzouten.

-

le-De voeding van deze uitzouter W bestaat dus uit:

stof: kg kmol

_%

---

_---

_---

---MEK 4,43 0,062 4,95 SBA 52,15 0,705 5B,2 H₂0 32,95 1,B29 36,8

---

_{--- --- ---+}

Totaal 89,53 2,596 100,0

--- --- ---

---Ongeveer 2,5

%

van de SBA en MEK blijft in de waterlaag achter, terwijl 2

%

water in de bovendrijvende SBA - laag blijft zitten.

De pekellaag (welke verwijderd wordt) bevat dus:

----~---~---I stof: kg kmol

%

---

---MEK 0,089 0,001 0,27 SBA 1,043 0,014 3,lB H₂0 31,B 1,76 96,4

---

t

---

---1,775 1\ 100,0

--- ---

-

---Totaal 32,932

De vloeistof welke teruggevoerd wordt (recycle), bestaat uit: (zie tabel blz. 29)

stof: kg kmo1

_%

---

---~---

---51,11 4,34 1,15 0,69 0,06 0,06 90,6 7,68 2,01

---

---~---.

---+

Totaal 56,60 0,81 100,0 ---~---~---

---29.

13. Overall - balans:

De overall-balans van in- en uitvoer wordt nu:

BBA H₂0 totaal voeding 938,89 8,85 947,74 water (wastoren)

--

1144,0 1144,0

---

_f---

---

---+

Totaal: 938,89 1152,85 2091,74

---

_---

_-

---~~~!2!E: (in kg) ---~.---.-._r----_,---~----

~---~----~---BBA MEK Totaal

---_

....

---

---

---~---_._---afvoergas (wastoren) bodemproduct Ie dest.toren .1023,7 6,1 17 Bu=-. ontluchter . pekel (uit-zouter MEK) eindproduct pekel (uit-zouter SBA) 0,02 16,39 87,8 0,06 21,65 12,53 2,7 856,73 31,8 1,04 0,09

---

---~---_.---~---Totaal : 1161,31 ~.90 18,58 17 885,66 25,34 37,69 1046,8 18,9 109,5 871,96 32,93

--

-

---

---~+ 25,34 2117,78

---

---~---_.~---

---

---Het verschil tussen in- en uitvoer bedraagt dus ongeveer 1

%,

hetgeen waarschijnlijk te wijten is aan kleine onnauwkeurigheden.

Hoofdstuk V _{======z:======}

Warmtebalans

_{---_}

...

_-1. Verdamper B:

De kookpunten van de componenten zijn: stof: kookpunt oe

---

---MEK

79,6

SBA 100,0 H₂0 100,0 ! \, \,' - - - -... - - - -____ ... _____ .'" J 1::(\ I' J \, U

1.-ri

t l ((\/ " I'I.(

-We nemen de eind~atuur in de verdamper B: 100 °C. De

ingangste~atuur

is: 20 oe.

De hoeveelheden H20 en MEK zijn zo klein t.o.v. de SBA-hoeveelheid, dat we gewoon kunnen aannemen, dat alles

(dus het hele vloeistof-mengsel) tot 100 oe verhit wordt en dan verdampt.

De soortelijke warmten van de vloeistoffe:Q. zijn: stof: Cp in kcal/kg. oe

water 1,0

SBA 0,572

MEK

0,55

EAK 0,525

Hieronder zijn de verdampingswarmten opgegeven: stof: r in kcal/kg

---

-

---water SBA MEK EAK 540,0 134,4 106,0 130,0 31.

De soortelijke warmten van de componenten in de gasfase zijn: stof: Cp in kcal/kg.oC Cp in kcal/kmol.oe

---

---

---water(damp) 0,42 7,56 MEK 0,414 29,8 Bu'" 0,40 23,0 H2 3,5 7,0 SBA 0,6 44,4

EAK

0,5 63,0

--- ---

---Dus om de vloeistof te verwarmen en daarna te verdampen is nodig: stof: Totaal kg 10 990 4,34 1004,34 kcal 6.200 178.000 650 184.850

---Het gas moet ook opgewarmd worden van 20 oe tot 100 oe. Hiervoor is nodig: stof: kg kcal H20 5,78 194 MEK 5,02 166 Bu= 2,34 75 H2 27,0 7~·550

---

---Totaal 40,14 7~.9$5

---

---Dus in totaal moet in de verdamper ~ en de verhitter worden toegevoerd: 7985 + 184.850

=

192.835 kcal/h

2. Warmtewisselaar C:

De temperatuur in de reactor ~ is: 480°C, dus intrede-temperatuur van de "gereageerde gassen" in e is ook 480 oe, en ze verlaten die warmtewisselaar met een temperatuur van 200 oe.

Daarbij staan ze een hoeveelheid warmte af aan de "inkomende gassen".

Dit aantal kcal zal nu berekend worden. "Gereageerde gassen" stof: kg kcal

---

---.

SBA 61,0 10,.240

MEK

895,02 103.800 Bu= _{20,92 2.400} EAK 17,0 2.380 H20 24,19 2.850 H₂ 52,34 50.000 ---~---~---+ Totaal 171.670

De begintemperat~ur van het inkomende gas is: 100 °C.

Stel, dat dit gas opgewarmd wordt tot x °C.

De hoeveelheid opgenomen warmte is: 171.670 kcal.

stof: kg kcal

---

---990,0 15,78 5,02 2,34 27,0 990. 0,6.ex - 100) 15,78. 0,42. ex - 100) 5,02. 0,414. ex - 100) 2,34. 0,40. ex - 100) 27. 3,5. ex - 100)

---

---~---~~ Totaal 695,65. (x-lOO) 33,

Nu

is: 695,65.

ex -

100) = 171.670

x = 340

, ,

Het inkomende gas heeft dus voor intrede in de reactor D

een temperatuur van 340

oe.

/.

\ U ~J ~. I 1\. / . ,r.. , J • i ",'; -c.J

i~(

..

(\

i

~

,

1 ~:! ( ",' t'·', "

3. Reactor D:

De temperatuur hierin is: 480 oe.

Om het inkomende gas te verhitten van 340 oe tot 480 oe is

nodig: stof: kg kcal ---~--- ---~---~--~-990,0 85,·400 15,78 952 5,02

299

2,34 138 27,0 13.210 --~---

---~---+---~---~-Totaal 1040,14

99.999

(ongeveer 10

5

kcal)

35.

Na opwarmen van het gas tot 480 oe treden de omzetitingen op:

a. SBA ---~ MElK + _H2 + a kcal

De reactie-warmte kunnen we het best uitrekenen m.b.v. de wet van Hess, en wel via de verbrandingswarmten

+ ₁₁

°

----~ 4 e0₂ + _{4 H20} + 582,3 kcal +

°

----~ + 68,3 kcal

---+

Totaal: 650,6 kcal + ₁₂

°

----~ 638,5 kcal

Dus: 650,6 + a = 638,5 kcal a = _W20 = - 12,1 kcal/mol Deze reactiewarmte geldt bij 20 °C.

Stel dat de gassen zich ideaal gedragen, dan kan deze warmte bij de reactie-temperatuur als volgt berekend worden: reactiewarmte = W

=

U + pV dW = dU + pdV + Vdp (maar pV = RT, dus: pdV + Vdp

=

RdT) dW = Cv.dT + R.dT dW

=

Cp.dT

Dit geldt voor een homogeen, enkelvoudige stof. Voor een mengsel van gassen wordt dit:

Voor het gemak nemen we aan, dat de Cp onafhankelijk is van de temperatuur en integreren de vergelijking.

We krijgen dus: _Wr - _{W20 =z....Cp.(Tr - T20)}

Wr = - 12.100 + (Cp(MEK)+ Cp(H₂)+ Cp(SBA,~60

Wr

= -

12.100 + (29,8 + 7,0 -44,4).460 = - 15.690 kcal/kmol SBA

Volgens deze reactie hebben gereageerd 12,4 kmol SBA. Dus de warmte die daarvoor nodig is bedraagt:

12,4. (- 15.690)

= -

194.600 kcal. b. SBA ----~ Bu= _{+ H20 + b kcal}

CH2 ti CH I +

9

H 2 CH 3 12 0 ----~ _{4 CO 2 + 4 H20 + 647,9 kcal} Dus: 647,9 + b

=

638,5 b = - 9,4 kcal/mol

_ . _

-37.

De reactiewarmte bij 480

°c

is dus weer: W_r

= -

9400 + (Cp(BU=) + _{Cp (H}

20) + Cp(SBA)). 460

= - 9400 + (23 + 7,56 + - 44,4). 460 = - 15680 kcal/kmol SBA

0,332 kmol SBA zijn omgezet tot Bu=,dus daarom was nodig: 0,332.(- 15680)

= -

5.200 kcal.

~. 2 SBA ~---~ EAK + 2 H₂ + H₂₀ + c kcal

+ 22 0 ---~ _{8 CO 2} + 7 H₂₀ + 11500 kcal 2 H2 + 2

°

----~ _{2 H20} + 136,8 kcal

---Totaal: Dus: 1286,8 + c

=

1277,0 c = - 9,8 kcal/mol

Reactiewarmte bij 480

°c

is:

1286,8 kcal.

Wr

= -

9800 + (Cp(EAK) + _{2 Cp(H}

2) + Cp(H20) - 2 Cp (SBA)).460

= - 9800 + (63 + 14,0 + 7,56 - 88,8). 460

= -

11750 kcal/kmol SBA

0,27 kmol SBA hebben gereageerd tot EAK; daarbij was dan nodig: 0,27.(- 11750)

= -

3160 kcal.

In totaal moet aan de reactor worden toegevoerd: 105 + 194.600 + 5.200 + 3.160

=

302.960 kcaljh.

4. Condensor E:

De ingangstemperatuur van de gassen is: 200 °c en de uitgangstemperatuur: 30 °C.

De gassen worden dus afgekoeld tot hun respectievelijke con-densatietemperatuur. Dan komt nog de condensatiewarmte vrij (

en vervolgens ook het aantal calorieën om de gevormde v10ei- J

stoffen af te koelen tot 30 °c.

stof: kg kcal ---~---~---~ 61,0 24,19 17,0 598,0 14.300 15.735 3.874 109.600 ---~---+ Totaal 700,19 143.509 1 , _ \ ' I u; L (.,f( /

Een hoeveelheid gas condenseert niet, maar koelt alleen af van 200 °c tot 30 °C.

Daarbij komt ook warmte vrij.

stof: kg kcal

---~---MEK

Bu· 297,02 20,92 52,34 20.900 1.460 30.300 ---~---+ Totaal 370,28 52.660 Î

De totale hoeveelheid warmte die in de condensor moet worden afgevoerd bedraagt: 143.509 + 52.660 = 196.169 kcal/h

7

39.

5. Wastoren A:

Het gas dat deze wastoren van boven verlaat is af-gekoeld van 30 oe tot 20 oe.

Daarbij staat het af aan warmte:

stof: kg kcal

---52,34 9,72 4,53 1·783 40,3 18,6 ---~~---_._---+ Totaal 66,59 1.841,9

Een deel van het ingevoerde gas blijft in het water achter. De buteen koelt af en lost op, waarbij de oploswarmte vrij-komt.

MEK koelt af, lost dan echter niet alleen op, maar condenseert eerst. Dus daarbij komt zowel de condensatiewarmte als de

mengwarmte vrij.

--- --- ---

_{--- -- -}

---afkoelen oplossen

30

-

20 oe condensatie mengwarmte in water

stof: kg kmol kcal kcal kcal/kmo1 kcal

--- ---

----

---

---

---,-.

...

-

---MEK 287,3 4,045 1192,0 30.450 2.600 10.520 Bu = 16,39 0,293 67,1 1.000 293

--- ---

_---

_----.,.---

_{--- ---+}

1259,1 30.450 10.813

---

---

--- -- -

---In totaal komt vrij in de wastoren:

1.259,1 + 30.450 + 10.813 + 1.841,9 = 44.364 kca1/h.

stel dat het inkomende waswa~er een temperavuur heeft van 15 oe.

Dit wordt dan eerst verwarmd -bot 20 oe (de temperatuur van de wastoren) •

Hiervoor word~ verbruikt:

1144. 1. 5 = 5.720 kcal

Verder verdampt er: 11,24 kg water.

Hiervoor is nodig: 11,24. 540

=

6090 kcal. Er is dus nog over:

44 .• 364 - (5.720 + 6.090) = 32.554 kcal

Deze worden gebruikt om het waswater dat naar beneden loopt en waarin de MEK en Bu= oplossen, op te warmen.

stel de eindtemperabuur van deze 20

%

-ige MEK - oplossing gelijk aan: x

oe.

Voor verwarmen van deze oplossing is dus nodig:

stof: kg kcal

---

---1.132,81 287,3 16,39 1~132,81. 1.

ex -

20) 287,3. 0,55.

ex -

20) 16,39. 0,40.

ex -

20)

---

-~---~---+ Totaal 1.436,50 Dus: 1.297,53.

ex -

20) = 32.554 x

=

45

oe

1.297,53.

ex -

20)

De temperatuur van de oplossing op de bodem van de wast oren

6. Voorraadtank:

De vloeistof uit de wascoren wordt gemengd met die uit de afscheider!

(30

°C).

stel de eindtemperatuur op y oe.

Door de vloeistof uit A wordt afgestaan:

---~---~- --- ---stof: kg

---

---H20

1.132,81

MEK

287,3

Bu·

16,39

kcal

1.132,81. (45 -

y)

287,3.0,55. (45 -

y)

16,39. 0,40. (45 -

Y)

---

---~---+ Totaal

1.436,50

1.297,63. (45 -

y)

De vloeistof uit F neemt op:

stof: kg kcal

---~---589,0

61,0

24,19

17,0

589,0. 0,55.

(y -

30)

61,0. 0,572.

(Y -

30)

24,19. 1.

(y -

30)

17,0. 0,525.

(y -

30)

---+

Totaal

691,19

404,89.

(y -

30)

Nu wordt:

1.297,63. (45 -

y)

=

404,89.

(y -

30)

Y

= 42

oe

41.

Dit is de temperatuur van de voeding van de eerste destillatie-toren H.

/

2-

Eerste destillatietoren H:

De voeding wordt hier verhit tot het kookpunt van de hoogst-kokende azeotroop die in het destillaat komt

(de SBA - H₂0 azeotroop) Dit kookpunt is: 88 oe.

Om de voeding van 42 oe tot 88 oe te verhitten is nodig (in een voorverwarmer B§):

stof: kg kcal

---H20 1 .. 157,0 53.000 MEK 885,3 22.400 Bu· _{16,39 29.8} SBA 61,0 1.610 EAK 17,0 410

---_._---+

Totaal 2.136,69 77.718

De MEK, SBA en _H20 en Bu= verdampen in de toren en daarvoor is verdampingswarmte nodig. (Bij Bu= moet alleen de oplos-warmte worden toegevoerd)

.--,,....---_.

__

._-•..•.

_---

---

._, ..

---

..

"----stof: kg kcal

---

---885,3

54,9

133,3 0,293

---Totaal 1073,793 93.800 7.340 71.800 293

---+

173.233 _ _ _ _ . _ _ • _ _ _ _ _ _ _ _ - ' -_ _ _ _ _ __ _ ---1.

Daar het ketelproduct van

g

hoofdzakelijk uit water bestaat stellen we de bodemtemperatuur op 98 oe.

Er is dus ook wat warmte nodig om dit bodemproduct te ver-hitten van 88 tot 98 oe.

stof: kg kcal ~---~---~---1.023,7 6,1 17,0 10.237 35 89 ---~---~---i Totaal 1.046,8 10.361

De totale hoeveelheid warmte welke geleverd moet worden door de verdamper A~ (van de eerste destillatietoren) bedraagt: 2. 173.233 + 10.361

=

356.827 kcal/h.

Het bodemproduct wordt afgevoerd en daarmee verdwijnt ook een hoeveelheid warmte.

Dit product wordt namelijk afgekoeld van 98

°c

tot de om-gevingstemperatuur (20

°c).

stof: kg H₂0 1.023,7 SBA 6,1 EAK 17,0 kcal

---80.000 273 694 ~---

--- ---+

Totaal 1.046,8 80.967 (Condensor w)

Het destillaat uit de eerste toren wordt hier volledig gecondenseerd, waarbij de Bu= in de vloeistof oplost. Er komt dus weer warmte vrij:

8.~Tweede destillatiekolom S:

Hierin wordt het destillaat en de reflux-vloeistof verdampt.

Vanwege de grote hoeveelheid MEK die als destillaat overgaat; de refluxverhouding is 2 : 1. stof: kg 880,87 2,75 100,35 0,293 kcal 93.300 369 54.150 293

---+

Totaal 984,263 148.112

De hoeveelheid warmte die toegevoerd moet worden is: 3. 148.112

=

444.336 kcal.

De vloeistof verlaat de condensor W (van de eerste toren) met 73 oe.

We nemen aan, dat deze temperatuur in de tank

!

daalt tot 70 oe. (tank X staat tussen W en de tweede kolom)

De temperatuur van de damp in Sis: 73 oe.

Dit temperatuurverschil is te klein (70 oe - 73 oe), om speciaal een verwarmer vlak vóór S te plaatsen. We laten de verdamper Y van de tweede toren deze warmte erbij leveren.

We stellen de temperatuur van het bodemproduct echter op 85 oe (kookpunt SBA - _H20 azeotroop

=

88

°ej.

Het deel van de voeding, dat als destillaat over-gaat moet verhit worden van 70 tot 73 oe, terwijl de hoeveelheid die als bodemproduct achterblijft verhit wordt van 70 tot 85 oe.

- - - -- -stof: kg kcal

---

---MEK

Bu=

880,87

16,39

2,75

100,35

1.454,0

19,6

4,7

301,0

--- ---+

Totaal

1.000,36

Om het ketelproduct op te warmen moet worden toegevoerd:

--~._-_.----_._.-. stof: kg

I

kcal

---

i

---4,43

36,5

52,15

450,0

32,95

494,0

---

---~---

---+

Totaal

89,53

980,5

Voor de verdamping van het destillaat was al nodig:

444.336

kcal. In totaal moet de verdamper

r

dus leveren:

444.336

+

980,5

+

1779,3

=

447.096

kcal.

(Condensor T - van de tweede toren):

We kunnen aannemen dat het destillaat van de derde

destil-latietoren R bij ongeveer dezelfde temperatuur zal overgaan als dat uit de tweede destillatietoren ~, daar beide des-tillaten hoofdzakelijk uit de MEK - H20 azeotroop bestaan. Bij mengen van deze beide gecondenseerde hoeveelheden (direct na T) zal dus geen warmte-uitwisseling plaats hebben.

Bij condensatie van het gasmengsel in T moet afgevoerd worden:

*

Het ketelproduct uit S wordt via de uitzouter W en de tank C~ teruggevoerd naar de ingang van het proces.

, ~

Daar~/ eft het een temperatuur van 20

°C.

Dus (in W n Q. daalt de temperatuur van

85

Afgevoerd wordt dus:

---,r---,'.- - . - - - , stof: kg kcal ---~---4,43 52,15

32.95

158

1.940 2.140 ---~---+ Totaal

89,53

4.238

~. Warmtewisselaar Z:

De vloeistof na T wordt verder afgekoeld tot 25 oe in deze warmtewisselaar.

47.

De temperatuur waarbij condensatie was opgetreden is: 73 oe. (kookpunt MEK - H20 azeotroop)

Bij afkoelen van de vloeistof kom~ dus vrij:

--,

---,---stof: kg kcal

---

--

---MEK 1.084,87 28.600 SBA _{2,75 897} H20 126,35 6.080 Bu

=

16,39 322

--- ---

-

---

---+

Totaal 1.230,36 35.899

'

-10. Derde destillatietoren R:

In de voorverwarmer D~ wordt de voeding opgewarmd van 25 °c tot 72 °C. Hiervoor is nodig: stof: kg kcal

---

---2,695 .1.060,73 38,53 72,5 27.400 1.817

---

---Totaal 1.101,955 29.290

Door de verdamper E~ wordt het destillaat verder verwarmd tot het kookpunt van de MEK _{- H20 azeotroop} (74 °C) en dan verdampt. Nodig is: stof: kg kcal ---

---

--- --- ---+

Totaal 230

1

277

Voor de verdamping (refluxverhouding 1 1)

stof: . kg kcal

---

---

---MEK 2. 204 43.200 H20 2. 26 28.120

---

---

---Totaal 460 71.320

49. We stellen de bodemtemperatuur van

R

op 77 °C.

Het ketelproduct wordt dus opgewarmd van 72

°c

tot 77 oe. Hiervoor is nodig: --_._---,..---stof: kg kcal

---MEK 856,73 H20 12,53 SBA 2,695 2.360 62,7 7,7

---

---~--~---

---Totaal 871,955 2.430,4

De verdamper !~moet dus leveren:

2.430,4 + 277 + 7.1320

=

74.027 kcal.

(Condensor F~ ):

Hier: afvoeren van de condensatiewarmte van het destillaat en de ref1uxvloeistof" Al. 71.320 kcal.

(Koeler bodemproduct):

Het b'Odemproduct (eindproduct) wordt afgevoerd en afgekoeld tot de omgevingstemperatuur, dus van 77 oe tot 20 oe.

Daarbij moeten we afvoeren:

- - - -,---r---.---.--'---.. -

---:~:~~---~---~~---

t

---~~~---856,73 12,53 2,695 26.800 710 88 ---~---~---+ Totaal 871,955 27.598

11. Overall-balans van toe- en afvoer van warmte:

! { l JIJ /'(~ \>-{( '.\.' (ti \. .:,. I..

, ' f ( I ' I J I " i· I. t i ! (' . _ I f I . \ ('1,,) Jo •.• ( .' I I . ; !q.. tA 11. I / C t (( Il / . Toevoer:

---Verdamper: 184.850 kcal Gasverbi tter : 7.985

,

,

Warmtewisselaar 171.670

, ,

Reactor: 302.960

, ,

Voorverwarmer (eerste destil. toren) : 77.718

,

,

Verdamper ( , t ) : 356.827 , t

Verdamper (tweede dest.toren ) : 447.096 , t

Voorverwarmer (derde dest.-toren): 29.290

,

,

Verdamper (

,

,

)

: 74.027

, ,

, r ( ir fJ I

---+

Totaal: 1.652.423

,

,

Afvoer: -Warmtewisselaar : 171.670 kcal Condensor

!:

Wastoren: Bodemproduct Condensor (eerste ( 196.169 44.364 destillatietoren) 80.967 " ) 346.466

Condensor (tweede destillatie-te ) 444.336 Warmtewisselaar Z:

Bodemproduct (tweede dest.-toren): Bodemproduct (derde dest .-toren):

Condensor (

, ,

)

: Tank X: 34.899 4.238 27.598 71.320 1.975

,

,

, ,

, t

, ,

, t t t , t , t

,

.

, t

---+

Totaal: 1.424.002

_••

Het verschil tussen toe en af te voeren warmte bestaat uit de reactiewarmte in de reactor (welke als energie voor de reactie verbruikt wordt) en verder kleine lekverliezen.

Hoofdstuk VI _{===============}

We nemen een dubbelpijp warmtewisselaar, omdat de hoeveelheid vloeistof die erdoor stroomt (zowel binnen als buiten) klein is.

r-•• 0 - - '~--... 51. t-·· ; . i / ~. ~ _{. '} ,cc_... -.' _' , .J) .' .

I.

Koelwater in de binnenste buis.

---~---~v

=

1.200 kg/h

=

1.200 liter/h

=

0,333 liter/sec

-5 3

.

=

33,3. 10 m /sec.

We nemen als binnenbuis een stalen pijp van 25 x 30 mme -', di = 2,5. 10-2 m

=

2,5 cm. UA.-thh(k/j'( v.J

2.f/so

Fi

=

"

₄ • d? _l. = n _~ • 625. 10 -6

=

490. 10-6 m2 = 4,9 cm 2 V = _~ ~v

=

33,3. 10-5 0,532 m/sea 10-

6

= l. 490.

o

=

0

=

103 kg/m3 l \ water

1

=

~

water

=

8,45. 10-4 N.sec/m2 (bij 27,5 °C)

Re :: 103 • 0,532. 25. 10-3 8,45. 10-4 ReO,8

=

2.280.

Á=

0,608 J/m. C.sec

°

C

=

1,0 kCal/kg.oC = 4.190 J/kg.oC p ,. 15.720 pr=~p-.

Á

8,45. 10-4. 4190 0,608 = 5,82 Pr1/ 3

=

1,8

<

~-"--"'--'--'--, _._., ... ~. <'! _ __ \fJ~), cl ,-Tt---'-~-

,->

.

t ~t, s

De gemiddelde temperatuur van het water

=

27,5 °C.

De wandtemperatuur blijkt na controle te zijn: 33,6 °C.

~~,-,"""'--~-"""~""'--'1.

_w(i) =133,6

=

7,45.10-4 N.sec/m2

( ?l

'?

wei) 0,14 ) I : 8 45 10-4 0,14 ( , . ) ,. 1,018 7,45. 10=4 ~i K 0,027. 2280. 1,8. 1,018. 0,608

=

2780 J m .C.sec / 20

11. stroming om de binnenpijp van de MEK - H₂0 azeotroop:

~m

=

1.230,36 kg/h

=

0,342 kg/sec.

fv

=

835 kg/m3

~ _v

=

0~~42

₅

_.

.., 4,1. 10 -4 m3/sec

=

0,41 liter/sec.

~w(u)

.., 338. 10-6 N.sec/m2 (bij 41,3 °0)

=

0,531 cal/g. 9C

=

2230 J/kg.oC o

.., 0,15 J/m. C.sec

D

=

diameter buitenste pijp = 4 cm

=

4. 10-2 m F = doors-Groomde oppervlak =

~.

D2 -

"N •

d~

=

=

daar d_u =

3

cm

=

diameter buitenoppervlak van de binnenbuis Sn V m

Re

Pr

= bevochtigde omtrek

=

lt. D + 11. du

₌

21,98. ~v 4,1. 10-4 ..,

F

=

_{5,5. 10}

4

.., 0,744 m/sec .., hydraulische straal =

~

= 5.5. 10-4 on 21,98. 10-

2

"" 2,5. 10-

3

=

r.

v. 4. m = 835. 0,744. 10-2

-6

314,9. 10

=

19.780

~

~ .0 =

yp- .

-6 314,9. 10 • 2230 0,15

=

4,67 . pr1/ 3 = 1,67 10-2 m ..,

,- I-In 0,14 (~)

=

1

W c(. u

=

=

0,027. 2740. 1,67. 0,99. 0,15 10-2

=

1

20 1.835 J m • C.sec 111. Wand:

De buis (binnenbuis) is van gewoon staal en dus zal er al direct een roestlaagje aan de binnenkant ontstaan door de corrosieve werking van het water.

a. !:~~~E.±~~~:

We

~

.

~~~~

)

aan voor de weerstand van deze laag:

=

°

,

5

.

10

-3

SI = dikte dus: /...1 = b. stalen wand:

-

---= 0,2 mm o 0,4 Wim.

e

=

=

=

2,5 - 0,2 ,( 2

=

50 Wim.

oe

-3

0,2. 10 = 2,3 mm S2 _{2,3. 10-3} 4,6. 10-5

1<2

=

50

=

m

=

2,3. 10

-3

m

Voor de berekening van de Overall-coefficient U moeten we alles betrekken of één oppervlak.

We doen dit op het buitenoppervlak van de binnenbuis. Dan wordt dus:

SI

-5

30 60. 10-5 (~)gecorr.

=

50. 10 • ~ = 1

₌

1

₌

_{43,2. 10}

-5

(o(J gec. 2320 1 O(U

=

=

=

-5

60,0. 10

-5

4,6. 10 1

-5

1835

=

54,6. 10

---+

Controle: 1 U

-5

= 162,4. 10 ,dus:

55.

1.1

~ _W

= '-'

''

_1.

.)

_gecorr. .At. _1.

=

do _u • .ö.t _u

=

(-SI )gecorr •• Atr

=

=

A t i 14.100

=

=

2.320 6,1 A t = 14.000

_1.835

= u 6 10

-5

4 t =,14.100. 4, . = w 0,7

~

tr

=

14.100. 60. 10-5 = 7,0 U

=

656 '5 _:>

"

c

2 0 Wim.

c

.

~

,o

e

[

----3

>

ls-.~--'-"