Bereiding van carboxymethylcellulose (C.M.C.)

, i I I

I

i I

I

.. '

•.

.

.

J ol>' ~. : - - - - BEREIDING VAN -CARBOXYMETHYLCELLULOSE (C.M.C.)

I

[2itJ

)

A.J.VAN SOEST Jr. ._ ~ .... . 1 . . -"il f

Ol

Algemeen Gedeelte.

I. Inleiding.

Carboxymethylcellulose is een synthetische gom op cellu-losebasis. Het wordt meestal geleverd in de vorm van een fijn wit poeder. Ter orientering geven we hieronder de structuur-formule; zo dadel~k k~en we hierop nog terug.

H ow

We merken hier op, dat het C.M.C. meestal wordt gebruikt in de vorm van z~n natriumzout. Het C.M.C. biedt voordelen bo-ven plantaardige gommen, immers het kan in uniforme kwaliteit worden geproduceerd, hetgeen met de natuurl~ke gommen niet

mo-gel~k is; hierb~ hebben we steeds te maken met zeer wisselende samenstellingen.

11. Gebruik van C.M.C. (litt. 1 en 2)

Carboxymethylcellulose wordt veelvuldig toegepast b~ de bereiding van allerlei producten. Deze producten liggen op velerlei terrein, o.a. in de voedingsmiddelenindustrie, in de wasindustrie, in de pharmaceutische, in de papier- en in de textielindustrie.

Gel~k in de inleiding gezegd, is C.M.C. een vervangmid-del voor b.v. gelatine, agar-agar, l~m, arabische gom, tarwe-gluten, tragacanth enz. Als plakmiddel gebruikt heeft C.M.C. het voordeel van minder korstvorming, respectievel~k vlekken. Het wordt als zodanig gebruikt voor het dekblad van sigaren, f

in de keramische industrie en b~ het behangen. ~ het behange~

met C.M.C. is correctie langer mogel~k door de langzame aan-plak! In de levensmiddelenindustrie wordt Na-C.M.C. gebruikt waar een viscositeitsverhogende werking wordt verlangd ("bin-den"), b.v. b~ puddingsausen.

In consumptie-~s wordt Na-C.-M.O. verwerkt om het aan-groeien van de kristallen te verminderen. Er ontstaat dan f~ ~s. Vooral in Ameri~a wordt het voor dit doel zeer veel ge-bruikt.

2

- I

I

Om z~ suspenderende eigenschappen wordt Na-C.M.C. zeer veel gebruikt in de wasindustrie. B~ het wassen van plantaar-dige vezels (katoen, kunstz~de en linnen) worden de vuildeel-tjes door het Na-C.M.C. in suspensie gehouden. Hierdoor hebben we veel minder last van vergrauwen van het wasgoed. We kwmen een aanzienl~ke deviezenbesparing bereiken, wanneer we de helft van de vetzuren door C.M.O. vervangen. Hiervoor geldt de volgende verhouding: 120 gram Na-C.M.C. i.p.v. 1 kg vetzuur. Ook onoplosbare calciumzepen, die met hard water ontstaan bl~­

ven gesuspendeerd. Synthetische wasmiddelen bezitten een ge-ring vuildragend vermogen, zodat het toevoegen van Na.C.M.C. hier zeer gewenst is.

Ook als emulgator en als stabilisator voor olie-in water emulsies wordt Na-O.M.O. gebruikt. Toepassingen op dit gebied

z~n b.v. levertraan emulsies en mayonnaise.

Hoogvisceuse typen Na-C.M.C. worden gebruikt voor tex-tieldrukpasta's, ter~l minder visceuse typen worden gebruikt als ook suspenderende eigenschappen aanwezig moeten z~, b.v. pigmenten in drukpasta's b~ de textielverver~.

Na verdampen van het water uit een C.M.C. oplossing

bl~ft het Na-C.M.C. in de vorm van een elastische film achter. Deze eigenschap maakt het Na-O.M.O. zeer geschikt als sterk-middel voor textielmaterialen, waarb~ het verschillende voor-delen biedt, b.v. uitwasbaarheid met water in tegenstelling met zetmeelproducten, die met enzymepreparaten (diastase)

ver-~derd moeten worden. Door gebruik van O.M.O. in waterverven hebben we minder last van afgeven. Als bestanddeel van het kernzand wordt C.M.C. gebruikt in metaalgieter~en.

B~ het vervaardigen van electrische isolatoren kan C.M.C. dienen ter vervanging van klei als bind- en plastificeermiddel. C.M.C. kan dienen als voedingsbodem voor bacteriën. Verder kan het de papiersterkte in natte toestand verhogen.

Geneesmiddelen met een laagje C.M.C. bekleed z~n in maag-zuur onoplosbaar, doch lossen in de alkalische darmsappen op. C.M.C. voorkomt het aangroeien van gipskristallen.

Tenslotte noemen we nog de toepassingen van C.M.C.: als bestanddeel van cosmetica (tandpasta, lotions, fixatief), voor het bekleden van vormen, waarin blokpolymerisatie van vloei-baar monomeer plaats vindt, als synthetische latex om bloemen langer vers te houden, als bestanddeel van de zgn. spoeling b~

het boren van oliebronnen, b~ het vervaardigen van transparant papier en tekenpapier als bodemverbeteraar en als

..

3

111. Eigenschappen van O.M.O. (litt. 1).

Op grond van de enorme verscheidenheid van de

toepassin-gen van C.M.C. zal het duidel~k z~, dat dit product niet

één-duidig is. Als variabelen gelden hier de polymerisatiegraad P

en de substitutiegraad n. Onder de substitutiegraad verstaan we het gemiddelde aantal _-CH2COONa groepen per glucosidische ring. De in de inleiding gegeven structuur-formule stelt dus een C.M.C. voor met substitutiegraad 1. Het vr~e cellulose

glycol zuur , is onoplosbaar in water, ongeacht de

substitutie-graad. De oplosbaarheid van de alkalizouten van C.M.C. daar-entegen is sterk afhankel~k van de substitutiegraad. Globaal geldt hiervoor:

n (

0.3

n

=

0.3-2

n

>

2

onoplosbaar in water en alkaliloog; oplosbaar in water;

onoplosbaar in water en loog;

oplosbaar in organische oplosmiddelen •

De oplosbaarheid is uiteraard afhankel~k van de unifor-miteit van de substitutie der carboxymethyl groepen over de cellulose-keten. De oplosbaarheid wordt ook belnvloed door de polymerisatiegraad. Vooral b~ de laaggesubstitueerde producten komt deze invloed duidel~k naar voren in dié zin, dat een kor-tere keten een bekor-tere oplosbaarheid geeft. Ook de viscositeit van de Na-C.M.C. oplossing wordt belnvloed door de polymerisa-tiegraad en wel zo, dat een lagere polymerisatiegraad een pro-duct met lagere viscositeit oplevert.

IV. Bereiding van C.M.C.

Gedurende de eerste wereldoorlog is de bereiding van O.M.O. het eerst ontwikkeld door Jansen b~ de Deutsche

Cellu-loid fabriek (litt.

3).

Volgens dit patent worden cellulose verbindingen bereid door alkalicellulose in alcoholische oplossing te behandelen

met chloorazijnzuur. Dit proces is in de loop der t~d aanzien-l~ verbeterd en groeide uit tot in 1942 in Duitsland in 6 fa-brieken Na-CTM.C. werd gefabriceerd volgens deels geoctrooieer-de, deels geheim gehouden wer~zen.

Na de tweede wereldoorlog is door de zgn. "investigation-teams" het één en ander bekend geworden over de productiemetho-den in deze Duitse fabrieken (litt. 4). In grote l~n was het productieproces in deze fabrieken als volgt:

- - - _- - -"

•

4

Alvorens wat dieper op dit blokschema in te gaan geven we eerst de vergel~kingen van de optredende reacties, aanne-mende dat de substitutiegraad 1 is.

+ NaOH ---;) -) HQ PH

/Q-Q,

HC ~ H

CHO-' è - o /

I CH20CH2COONa NaOR + NaRC0

3

) Na2C0

₃

+ H20

We hebben verder de volgende nevenreactie: 2 NaOH + _CH2CICOOR --~.NaCl + H₂0 + _CH20HCOONa.

natriumglycolaat.

+ NaCl

+ ffi 2

°

Cellulose vellen worden gemerceriseerd met een 18~procen­

tige natronloog-oplossing in zgn. drenkbakken, waarb~ de cellu-lose een hoeveelheid loog opneemt tot ca. 15

%

van haar eigen gewicht. (Dit is een analoge bewerking als wordt toegepast bij de vervaardiging van rayon-garen). Na het drenken worden de vellen geperst totdat de hoeveelheid loog ongeveer 2.5 à 2.~

maal het gewicht van de oorspronkelijke cellulose bedraagt. Bij

het drenkproces lost de hemicellulose (cellulose met lage, P.) op in de loog. Om een uniform product te verkr~gen komt de alkalicellulose na het persen in de zgn. r~kamer, waar de

afge-•

-

~---5

broken. De temperatuur in de r~pkamer moet nauwkeurig worden ingesteld en bedraagt ongeveer 200 C. Ook in de Werner-Pflei-derer kneders, waarin de alkalicellulose na het rijpen komt, moet de temperatuur i.v.m. de constante ketenlengte in de hand worden gehouden. Na 1 à 1.5 uur kneden wordt zuiver mono-chloorazijnzuur (c.q. het natriumzout hiervan) toegevoegd in een verhouding van 60 delen chlooraz~nzuur op 100 delen

cellu-lose. Na 2 à 3 uur kneden in aanwezigheid van het monochloor-azijnzuur is de omzetting ongeveer 60 procentig. De temperatuur van de exotherme reactie wordt door watermantelkoeling beneden 450 C gehouden. De reactiemassa komt nu in grote om

horizonta-le assen roterende drums (30 rot ·/min.). Deze drums zijn voor-zien van een dubbele wand en inwendige spiralen voor de koeling. De verbl~ft~d in deze drums is ongeveer 4 tot 6 uur. Aan het einde van deze nareactie in de horizontale drums wordt de over-maat NaOH geneutraliseerd met natriumbicarbonaat. De argumen-ten om de reactie niet volledig in de Werner Pfleiderer kneder te laten plaats vinden z~n:

a) Drums z~n goedkoper dan W.P.-kneders;

b) Het krachtsverbruik, ergo de kosten z~n lager. Tenslotte wordt het product zeer f~n gemalen in een Eirich-molen en het C.M.C. heeft dan ongeveer de volgende sa-menstelling:

30

%

Na-C.M.C. ; 35

%

NaCl, Na

2C0

3

,

CH20HCOONa ; 35

%

H20. Dit product werd in Duitsland als detergent voor de was-industrie verkocht onder de handelsnaam Tylose H.B.a. en had een substitutiegraad van ca. 0.8.

De gezuiverde vorm van Na-C.M.C., in Duitsland verkocht onder de handelsnaam Tylose M.G.C. wordt verkregen door het ruwe product dat ontstaat in de horizontale drums na malen in een Eirich-molen te wassen met een mengsel (60/40) van metha-nol en water. De vreemde zouten lossen in dit mengsel zo goed als quantitatief op, zodat het Na-C.M.C. kan worden afgefil-treerd. Na de filtratie wordt het Na-C.M.C. met stoom behandeld om de methylalcohol te ver~deren. Teneinde het vaste materi-aal beter handelbaar te maken voor het fijnmmateri-aalproces, wordt eerst een kleine hoeveelheid water toegevoegd. Het zeer fijne Na-C.M.C. poeder wordt vervolgens gedroogd in roterende trom-mels. We hebben dan minder last van stofverlies dan b~ de an-dere droogmethoden, zoals b.v. het drogen op een transportband. Tenslotte wordt het Tylose M.G.C. nog gezeefd, zodat het gele-verd kan worden in verschillende grootten van korreldiameter. Dit gezuiverde product bevat slechts 2%~ aan zouten en kan der-halve verwerkt worden in de levensmiddelen en in de pharmaceu-tische industrie. Het Tylose M.G.C. is ook geschikt om ver-werkt te worden in consumptie-~s.

6

Na de tweede wereldoorlog hebben de onderzoekingen naar de fabricage van Na-C.M.C. een enorme vlucht genomen. Deze on-derzoekingen hebben geresulteerd in een aanzienl~k aantal pa-tenten (litt.

5

en 6). Deze beschrijven alle bereidingsmethoden van C.M.C. volgens dezelfde grondidee als het beschreven

Duit-se proces, elk met een kleine specifieke variatie, waardoor het product een min of meer speciale eigenschap verkrijgt.

In het Britse patent (litt.

7)

wordt de bereiding van C.M.C. in een alcoholische oplossing beschreven. Cellulose wordt bij 25-1000 gedurende 2 - 6 uur behandeld in tegenwoordig-heid van natronloog met een carboxy alkylerings agens zoals monochloorazjjnzuur. Om de vorming van een deegachtige massa bij de reactie te voorkomen, ergo om het gevormde C.M.C. in de vaste deeltjestoestand te houden werd gewerkt in

isopropyl-of tertiaire butylalcoholische oplossing. Het G.M.G. werd ge-zuiverd door centrifugeren, uitwassen met methylalcohol en drogen. Zonder de genoemde alcoholen verkrijgt men een deeg-achtige massa, die niet verder is te bewerken. Methylalcohol, ethylalcohol, n- en isobutylalcohol, dioxaan en hexaan bleken deegvorming niet afdoende te verhinderen.

Tenslotte is er nog een Amerikaans patent (litt. 8),

waarin een continue bereiding van G.M.G. wordt beschreven. Zo-wel de bereiding van alkalicellulose als die van het carboxy-methylcellulose worden hier in één contunue reactor verenigd.

De reactievloeistoffen (natronloog en een oplossing van

mono-chloorazjjnzuur) worden in de horizontale, roterende reactor

verstoven, waarin de cellulose zich in poedervorm voortbeweegt m.b.v. een horizontale sleepketting. (zie fig.)

o~

e,co

o~

~

: -

L -

~

f

vo~ ko~

~

~'

~~e. ./\ /\ .

::IK

1\\ A A(1\: / IV\ .. /1-'tA..6 ~ .... 6>

~ • vvv ... / . .6-'.~.

C~~

c...;4:-~~r?~

~~

fohl-

~?-­

~4

0

,

Jo

hc

~

.

De voordelen van een dergelijke reactor boven de discon-tinue reactie in een Wer~er Pfleiderer kneder en de horizontale drums zijn.

1) ~ gelijkblijvende omzetting (dezelfde substitutiegraad) hebben we met het continue proces een aanmerkelijke ver-korting van het proces.

2) De apparatuur is minder robuust dan die bij het disconti-nue proces, hetgeen aanzienlijk minder investeringskosten met zich meebrengt.

3) Drenkbakken, hydraulische persen, het verplaatsen van

grote hoeveelheden loog (pompen) vallen bij het continue

proces weg.

--

-

-7

5)

Minder arbeidskrachten nodig. 6) Eenvoudige bewerkingen.

Moge deze opsomming van voordelen reden genoeg zijn om de continue bereidingsmethode voor onze bereiding van Na-C.M.C. te kiezen. We merken nog op dat er slechts één fabriek Na-C.M.C. vervaardigt volgens een geheel continu proces.

(Wyandotte Chemical Corporation, Wyandotte, Mich., litt.

9).

v.

Productiedjfers. (li tt.

9).

De productiec~fers in onderstaande tabel tonen duidel~k

de snelle groei van de C.M.C. productie in Amerika aan. 19'+7 2260 _• 1000 Lbs.

1948 5772 _• 1000 Lbs. Opm. Deze getallen slaan 19'+9 7149 _• 1000 Lbs. niet op lDO% zuiver 1950 15691 _• 1000 Lbs. C.M.C.

In de volgende tabel geven we de verdeling van de totaal geproduceerde hoeveelheid C.M.C. (in 1950 in Amerika) over de verschillende toepassingsmogelijkheden. detergents spoeling voedings- en pharmaceutische industrie verfindustrie papierindustrie textielindustrie diversen 10.000 2.000 1.000 500 500 500 1.000 15.500 X 1000 Lbs. x 1000 Lbs. )( 1000 Lbs. X 1000 Lbs. )( 1000 Lbs. X 1000 Lbs. x 1000 Lbs. X _{1000 Lbs.}

Uit de tabel ziet men dat de toepassing van C.M.C. als detergent voor de wasindustrie een overheersende rol speelt. Dit moge voor ons een reden zijn, om ons product voor deze toe-passingsmogelijkheid voor te bestemmen. Door geringe variaties in de dosering van de reagentia kan men de substitutiegraad van het C.M.C. ~zigen en het product daardoor aanpassen aan een b~zonder doel.

Intussen stellen we ons voor om de fabriek in Nederland

op te richten. Nauwkeurige gegevens over de productie van C.M.C. in Nederland, (De A.K.U. en NIJMA brengen sinds enige jaren C.M.C. op de markt) zijn ons niet bekend.

~ de bepaling van de hoeveelheid C~M.C. die ~ zullen gaan produceren hebben we ons laten leiden door het getal 10.000.000 Lbs, dat bn Amerika in 1950 werd gefabriceerd voor de wasindustrie. Dit is een verbruik per hoofd van 0.029 kg, hetgeen voor Nederland overeenkomt met een jaarproductie van

- - -

-8

290

ton. Gezien de snelle groei van de C.M.C. productie in Amerika l~kt het ons verantwoord om 1 ton C.M.C. per dag te gaan produceren.

Wat de plaats van de fabriek betreft hebben we gemeend, dat de omgeving van Arnhem zeer geschikt is en wel om de na-volgende redenen:

1) Dicht b~ de kunstz~de-industrie (A.K.U. en NIJMA) , die immers van dezelfde grondstof uitgaat. De

C.M.C.

productie kan als het ware gezien worden als een nevenbedr~f van deze industrie.

2) De wasindustrie is ook op de Veluwe geconcentreerd, zo-dat de afleveringskosten b~ het plaatsen van de fabriek in Arnhem gering z~n.

3) Betrekkel~k goedkope arbeidskrachten. 4) Bronwater beschikbaar.

9

Bereiding van C.M.C. langs continue weg.

I.

Chemisme en Materiaalbalans.

Het chemisme van het continue proces is enigszins ver-schillend van dat van het discontinue Duitse proces. Werd bij het Duitse proces meestal het natriumzout van monochloorazijn-zuur als carboxy-alkyleringsreagens gebruikt, hier gebruiken we het vr~e zuur, hetgeen onget~feld voordeliger is, immers het monochloorazijnzuur behoeft niet te worden omgezet in zijn natriumzout. Bij het Duitse proces wordt de overmaat alkali geneutraliseerd met bicarbonaat; deze bewerking kan achterwege bl~en wanneer we een aequimoleculaire hoeveelheid loog toe-voegen. W~ moeten hierbij bedenken, dat zowel loog verbruikt wordt voor de bereiding van alkalicellulose als voor de be-reiding van het natriumzout van carboxymethylcellulose. Ver-der wordt nog natronloog gebruikt voor de vorming van natrium-glycolaat, dat als nevenproduct ontstaat.

De optredende reacties in vergelijkingen schematiserend:

cellulose - OH + NaOH ~ _{cellulose - ONa} + _H20

cellulose - ONa + _CH2C1COOH • cellulose - OCH2COOH' + NaCl cellulose - OCH

₂

COOH + NaOR ~ cellulose - _OCH2COONa + _H20

Nevenreactie:

CH₂CICOOH + 2 NaOH ~ _CH20HCOONa + NaCl + _H20

Teneinde ons de mogelijkheid te verschaffen om bij de be-schrijving van de verschillende onderdelen van de fabriek enige berekeningen te voegen, geven we hier eerst een materiaalba-lans.

Van de meeste handelsmonsters C.M.C. bedraagt de substi-tutiegraad 0.4 - 0.8. Over de exacte waarde van de s.g., welke het meest geschikt is voor het gebruik van C.M.C. in de was-middelenindustrie wordt in de literatuur angstvallig gezwegen. Wij kunnen deze waarde van de s.g. echter "terugrekenen" uit de volgende gegevens, welke in litt. 9 z~ vermeld.

A. Benodigde materialen voor de bereiding van 1 ton C.M.C. cellulose (5% vocht) 0.578 Ton/Ton 68 % C.M.C.(5% vocht) monochloorazijnzuur - _0.290

"

°

aq.

causticsoda 0.256

_"

B. Een typisch productie monster bevat: 16 % natriumchloride

"

"

6 % laag M.G.-C.-M .. C. + natriumglycolaat I

%

alkaliteit (als Na₂0)

10

Deze getallen z~n berekend op het droge product. Het vochtgehalte van het product is gewoonl~k ongeveer

5

%,

ter-wjjl het Na-C.M.C. gehalte 68

%

bedraagt.

Volgens A ontstaat uit 578 kg. cellulose met 5

%

vocht, derhalve uit 549 kg. zuivere cellulose 680 kg Na-C.M.C. Het verschil, 131 kg, is erb~ gekomen in de vorm van gesubstitu-eerde resten (cellulose - OH ~ cellulose - OCH

2COONa). Het M.G. van zulk een rest is 80, zodat er _{131/ 80} = 1 __ 64 "kg mol"

carboxymethyl-resten is opgenomen door

549/

₁₆₂ = 3.39 "kg moUI

glucose-resten. (M.G. C₆H₁₀0

5

=

162). Voor de

substitutie-graad vinden we nu _{1.64/3 •39}

=

0.48. Er is volgens A

toege-voegd 290 kg.monochlooraz~zuur, hetgeen overeenkomt met 3.07

kg mol. Hiervan heeft nu 3.07 - 1.64

=

1.43 kg mol. niet met ONa groepen van de alkalicellulose gereageerd, maar is omgezet in natrium glycolaat (nevenreactie) : 1.43 • 98

=

140.14 kg. Per ton 68 r~ig C.M.C. vinden we dus ongeveer 14

%

natrium-glycolaat, een percentage, dat niet overeenkomt met het na-triumglycolaatgehalte dat in B staat vermeld.

Volledigheidshalve memoreren ~ nog dat de hoeveelheid benodigde natronloog in kgmolen twee maal zo groot is als de hoeveelheid toegevoegde monochlooraz~nzuur in kgmolen. Dit volgt direct uit het in de aanvang gegeven reactieschema. Er wordt volgens A 3.07 kgmolen chlooraz~nzuur toegevoegd, zodat aan natronloog 6.14 kgmolen moet worden toegevoegd; dit komt

overeen met 245.6 kg. Voorts bevat het handelspnoduct nog L

%

alkaliteit, dus 9.5 kg.Na₂0 op 1000 kg. eindproduct (Zie

B).

Dit komt overeen met

~·1

.

40 • 2 = 12.3 kg. natronloog. In to-taal is dus nodig 245.6 + 12.3

=

257.9 kg. natronloog, een hoe-veelheid, die inderdaad in A staat aangegeven !

Uit B kunnen we ook de substitutiegraad berekenen, d.w.z. als we aannemen, dat het monster 6

%

natriumglycolaat bevat. 6

%

Natriumglycolaat op één ton droog product komt overeen met

~ . 60 kg.natriumglycolaat op één ton product met 5

%

vocht. Van de toegevoegde 3.07 kgmolen monochlooraz~zuur heeft er dus 3.07 -

~

•

~

=

2.49 kgmolen met alkalicellulose ge-reageerd. We hadden 3.39 "kgmolen" glycose resten, zodat de substitutiegraad nu een waarde

kr~gt

van

~:;§

=

0.73 5 .

Door corresponderen met de A.K.U. en de N.IJ.M.A. hebben we nog getracht te weten te komen, hoe groot de substitutie-graad is van het door deze fabrieken geproduceerde G.M.C., doch een exacte waarde werd in de respectievel~ke antwoord-brieven niet vermeld. De N .IJ.M.A. N.V. was echter zo

vrien-del~k een monster unymcelll te sturen, dat door hen speciaal

wordt vervaardigd als C.M.C. voor de wasindustrie. W~ hebben toen besloten hier zelf de substitutiegraad van te bepalen en vonden 0.61. (W~ verw~zen hiervoor naar het aanhangsel van het verslag van G.A.w.Vermeulen).

11

Wanneer ~ nu de materiaalbalans berekenen voor een pro-duct met substitutiegraad

0.7,

dan menen wjj een Na-C.M.C. type te verkr~gen met de goede eigenschappen voor een verbruik in de wasindustrie. W~ stellen ons verder voor het product 68 % actief te maken met een natriumglycolaat gehalte van

7

%. Dit naar analogie met litt.

9.

Cellulose.

Om 1 ton 68 r~ig Na-O.M.O. met s.g.

0.7

per dag te fa-briceren moeten we aan cellulose invoeren;

680

162

+

0.7 • 80

•

162

kg.

=

505.3

kg.

(162

en

(162

+

0.7

•

80)

zijn de "moleculair gewichten"

van 1 glycose eenheid respectievelijk 1 Na-C.M.O. eenheid).

Aannemende dat de ruwe cellulose

1

% stof bevat

(5.05

kg) en een vochtgehalte heeft van ca.

5

% komen we tot ongeveer

540

kg. ruwe cellulose. In de reactor voeren we

505.3

kg.

=

3

.12

IIkgmol~1 zuivere cellulose-eenheden.

Monochlooraz~zuur.

Voor de carboxy-alkylering van

505.3

kg cellulose tot een s.g.

0.7

is nodig:

3.12 • 0.7

.

94.5

=

206.4

kg.monochloor-az~nzuur. Voor de vorming van

70

kg.natriumglycolaat is nodig:

~

•

94.5

=

67.5

kg.monochloorazijnzuur. Totaal

273.9

kg.

mono-chloorazijnzuur • Keukenzout.

Volgens het reactieschema is de hoeveelheid keukenzout in kgmolen in het eindproduct gelijk aan de totale hoeveelheid

monochlooraz~nzuur in kgmolen, immers bjj de beide reacties,

waarb~ monochloorazijnzuur wordt verbruikt ontstaat als reactie-product keukenzout.

273.9

kg. monochloorazijnzuur levert

~:1

·

58

_

.5

=

169.6

;

kg. keukenzout. Natronloog.

Hiervan is "twee maal" zoveel nodig als dat er aan mono-chloorazijnzuur wordt verbruikt:

2~~59

.

40

•

2

=

231.9

kg. Het eindproduct bevat

1

%

alkali

=

10.0

kg.

Water.

Totaal

241.9

kg.

natronloog.

De ingevoerde natronloog-oplossing is 35 r~ig 12 22 78 • 273.9

=

77.25 kg.

~

• 241.9 = 449.4 kg. Vocht in de cellulose 5

%

=

~

•

505 kg.

=

25.25 kg. Totaal 551.9 kg. water.

De materiaalbalans van de reactor ziet er nu als volgt uit: "Input" cellulose vocht in cellulose natronloog verdunningswater monochlooraz~nzuur verdunningswater kg. 505.3 25.25 241.9 449.4 273.9 77.2

5

1573.0 kg nOutput" Na-C.M.C. keukenzout natriumglycolaat alkaliteit vocht in Na-C.M.C. kg. 680.0 169 .6~ 70.0 10.0 643.4

Het vochtgehalte van het product, zoals het de reactor verlaat bedraagt:

643.4 • 100

%

= 40.9

%.

1573.1

(In litt.

9

wordt hiervoor ca. 40

%

vermeld.)

11 Het Proces.

De poedervormige cellulose wordt aangevoerd in papieren zakken van ongeveer 25 kg. De zakken worden geleegd in een Hopper, waarin de compacte cellulose d.m.v. roerarmen (harken) wordt losgewerkt. Ten einde te veel stuiven te voorkomen en

om zeer f~n stof (1

%)

te ver~deren is de Hopper via een

klei-ne cycloon verbonden met een waterstraalpomp. Via een regelbare

sluis komt de cellulose in een transportschroef, die het poeder

naar de reactor transporteert. De transportschroef kan op ver-schillende snelheden worden ingesteld, doch normaliter wordt 21 kg.cellulosepoeder per uur vervoerd.

SUmmier is reeds iets van de reactor in het algemene ge-deelte gezegd.

We merken hier op dat de roterende reactor (16 r./min.)

slechts voor 1/3 deel gevuld is en dat de verbl~ft~d van de

vaste stof in de 3 zones (alkalicellulose-zone -

carboxyalkyle-rings-zone - nareactie-zone) steeds 1 uur is. De longitudinale schraper voorkomt, dat de natte vaste stof zich tegen de wand afzet.

-SCHRAP

""

,

" .______PERSLUCHT _ V _ _ . . . , ~ ~-REAGENS )' VERSTUIVER , I ' REACTIEMASSA

l

i

.

I \ \ ,} \ \\~/ / / ~7 Ir j ROTATIE ROLLETJES

\

\":

::.<:

J.~::'_-

~

--

'

!/;LVASTE GEDEELTE AAN

\, / . BEGIN EN EIND VOOR

~

.

_~

DE

LEiDi~~EN

~~~-13

In nevenstaande figuur is een dwarsdoorsnede getekend van de reactor.

Het natuurlijke talud van het vallende cellulosepoeder b~ de invoer, gekoppeld met de rotatie van de reactor zorgt voor de langzame opschuiving in horizontale richting van de

ntuimelendell vaste reactie massa.

De natronloog, benodigd om de cellulose om te zetten in alkalicellulose, wordt verkregen door "caustic ll blokken onder roeren op te lossen in zacht water tot een 35-procentige op-lossing. Na filtreren over een zandfilter, (verschillende gradaties in fijnheid) om kolloldaal opgelost ~zer en veront-reinigingen te ver~deren, komt de loogoplossing in een voor-raadtank. Via een instelbare proportiepomp en een rotameter wordt de loogoplossing met een snelheid van 29.2 kg per uur b~ de pneumatische sproeiertjes in de eerste sectie van de reactor gevoerd. Zeer kleine vaste deeltjes in de loogoplos-sing worden verwijderd door een 100 mesh zeefplaat achter de voedingspomp en een 200 mesh zeef voor de versproeiers. De gevormde alkalicellulose beweegt zich langzaam voort in de horizontale reactor en wordt in de tweede sectie analoog als in de eerste sectie behandeld met een 78-procentige oplossing van monochloorazijnzuur '.

De monochlooraz~zuur wordt, na oplossen (onder verwar-ming met stoomspiralen) in zacht water, gefiltreerd over saran in een gesloten horizontaal platenfilter (Sparkler Mfg.Co. Mundelein Ill.) en komt dan in een voorraadtank. Evenals de loogoplossing wordt de monochlooraz~zuuroplossing via een proportiepomp en een rotameter naar de pneumatische sproeier-tjes in de tweede sectie van de reactor geleid. Ook hier is een 100 mesh zeefplaat achter de voedingspomp en een 200 mesh zeef voor de sproeiertjes geplaatst. De doseringssnelheid van de monochloorazijnzuuroplossing bedraagt 14.8 kg. per uur.

De reactietemperatuur moet goed in de hand worden gehou-den i.v.m. de moge~ke afbraak van de celluloseketens b~ hogere temperatuur, waardoor de uniformiteit van het reactieproduct te loor zou kunnen gaan. De optimum temperatuur voor de reac-tiemassa is 35-400 C. Controle hiervan is mogel~k m.b.v. een thermometer, die (door het vaste gedeelte van de reactor b~ de invoer) in de reactiemassa is geplaatst. De thermometerbol is.

14

in dát gedeelte van de reactiemassa geplaatst, waar de tempera-tuur het hoogste is; dit is ongeveer op de grens tussen de eer-ste en tweede sectie.

Om de reactiewarmte te verminderen ergo om

temperatuur-st~gingen te voorkomen wordt een luchtstroom m.b.v. een blower door de reactor gevoerd. Uiteraard is de hoeveelheid te gebrui-ken koellucht afhankelijk van de weersgesteldheid. B~ de fa. Wyandotte leidt men b~ de meest ongunstige omstandigheden (zeer warm en vochtig weer) 200 cu. ft, lucht per minuut door de reac-tor om het gewenste temperatuurtraject te kunnen handhaven. D_8: voor het koelen gebruikte lucht verlaat de reactor met een kleine hoeveelheid cellulose en C.M.C. dat als "stof" wordt meegenomen (ca. 1

%

van de productiestroom). Een hoeveelheid met stoom voorverhitte lucht wordt b~ de koellucht gesuppleer&,

teneinde het meegenomen "stof" te drogen. Zouden we dit

nala-ten, dan kr~gen we last van verstopping door het afzetten van de meegenomen hoeveelheid natte O.M.O. tegen de leiding$wanden. De meegenomen O.M.O. en cellulose wordt in een cycloon afge-scheiden en kan als secundair product worden verkocht. De lucht welke de cycloon door de top verlaat passeert, alvorens te wor-den afgevoerd een zakkenfilter, waardoor het achtergebleven fijne stof nog wordt verzameld.

De reactor is aan het einde voorzien van schotten, die het reactieproduct in de afvoer transportschroef werpen. (zie fig.).

Via de transportschroef valt het natte product in trommels, waarin het de gelegenheid kr~gt om gedurende 8 à 10 uur na te reageren. ~ het verlaten van de reactor is de temperatuur van

het product ongeveer

35

0 C. Na 6 à 8 uur staan in de drums

(~kamer) is de reactie zo goed als afgelopen. In de aanvang'

van deze periode st~gt de temperatuur tot 50 à 550 O. om dan weer langzaam af te nemen tot kamertemperatuur.

Tenslotte wordt het natte product gedroogd in een zgn. flash-drier. Met deze droogmethode verkrijgt men het eindproduct

gemakkel~k in de gewenste f~nkorrelige vorm. Om het drogen te

vergemakke~ken wordt het Na-O.M.O. eerst gemalen. Het compacte

natte materiaal wordt hierdoor wat opgewerkt. Het Na-C.M.C. wordt met een luchtstroom, die door de vlakke maalstoel wordt geblazen, meegenomen en dan in een cycloon van de lucht ge-scheiden. De lucht circuleert via een blower, ter~l de vaste stof in een Hopper wordt gedeponeerd.

Een instelbare transportschroef brengt het Na-O.M.O. naar de If1ash-drier", waar het m.b.v. een met stoom voorver-warmde luchtst,;room wordt gedroogd van 40

%

tot ca.

7

,

%

vocht.

15

De beide luchtvóórverhitters zijn voorzien van een auto-matische temperatuurregeling. De temperatuur van de afvoerlucht

is hierb~ gekoppeld aan de stoomtoevoer-afsluiter.

De cycloon achter de "flash-drier" scheidt de vaste stof van de lucht. De lucht bevat nog wat f~n Na-C.M.C., dat in een tweede cycloon respectievelijk een zakkenfilter wordt afgeschei-den. De afgescheiden Na-C.M.C. b~ de tweede cycloon wordt nog eens door de "flash drier" gestuurd, ter~l de in het zakken-filter afgescheiden Na-C.M.C. b~ de hoofdproductie komt.

De Na-C.M.C., welke in de cycloon na de I1flash-drier" wordt afgescheiden, wordt met lucht tot kamertemperatuur afge-koeld. De voor deze koeling benodigde lucht wordt weggezogen van de plaats, waar het eindproduct wordt opgevang~n. Het is hierdoor, dat we b~ het verpakken minder last hebben van stui-ven.

Het eindproduct wordt na het koelen m.b.v. de productie-cycloon verzameld. De lucht die deze productie-cycloon verlaat wordt wederom door het zakkenfilter geleid om het meegenomen fijne stof te winnen.

Het Na-C.M.C. wordt verpakt in waterdichte kartonnen

vaten. Droog Na-C.M.C. is n.l. hygroscopisch en kan gaan koeken o.i.v. vochtige lucht.

III Materialen.

Koolstofstaal en Type 316 stainless-steel z~ de con-structie materialen voor de Na-C.M.C. fabriek. In het algemeen is Type 316 (Ni 67, Cu 30, Fe 1.4, Si 0.1, C 0.5) bruikbaar in het gehele systeem, maar wordt, waar het gaat om het hanteren van inerte stromen vervangen door koolstofstaal, dit i.v.m. de kosten. De enige uitzondering b~ het gebruik van type 316 is de oplostank voor het monochlooraz~nzuur. Hier is Type 316 niet bruikbaar boven

25

0 _{C; ~ moeten hier gebruik maken van}

Hastelloy.

IV Apparatuurdimensionering. (schaal:

l;je

).

a) De voorraadhopper voor de cellulose en de oplos- en voorraadtanks voor de reagentia z~ zó gedimensioneerd dat ze een hoeveelheid stof gel~k aan de dagproductie kunnen bevatten. b) De reactordimensies b~ "Wyandotte Chemicals Corp." z:ijn

20 ft. lengte b~ 4 ft. diameter. Hierin wordt

3.5

ton Na-C.M.C. per dag gefabriceerd. Op deze basis berekenen we onze reactor.

De inhoud van de b~ Wyandotte gebruikte reactor bedraagt:

11' 42

c.o.lto C).O!>~

I

o.o?B o.G?7 o.o~6 Hf1 O.O~? ABsoLUTE

VOC.HT 1 GHE.I'D o.ob<4

~s W4TE.~

h..b tROçE \..UOtT _o.oi'l~

O.oh!, 0.03' O.o~o o.o~ Q.oltB

I

~ .. 0.02,(, o.o~6" O.O.l.~ 60 -5" C.RAFlt.1< '30 2.0 AO o..oo.t, _{0.006 0.0' 0.01-'1} - - - --"'"'f'!II 10 l-f I I I I / ÄSSOL,UTE

,I

.. ' G~AFtEI( ~ " i .. -+ • t

1

.1.0 .tf.i ~

.

-~ ~~r~ .L":::

-

-

'

.. ~ L • : ; : - : ... -.. 1 o.o:d) 0.0;' O.o~ c.bsk,.O V a~ f.( T I~ ... \'..1 'll ~~ ... I~t:.. _ _ __ _ __ _ _ _ ___

-16

80

'TT

De inhoud van onze reactor wordt dus

3.5

cu. ft.

~ éénzelfde verhouding (20 krijgen we: 80

TI"

3.5

D = 80 cm. L

=

400 cm.

4) van lengte en diameter

c) De luchtvoorverhitter~ voor de verwarming van de lucht, welke aan de voor het koelen gebruikte lucht moet wor-den gesuppleerd.

Het verkregen mengsel moet voldoen aan bepaalde eisen van temperatuur en vochtigheid, immers het moet in staat zijn om de door de koellucht meegenomen

15

kg,C.M.C.-cellulose te drogen tot een watergehalte van ca.

7

à 8

%.

In de literatuur is slechts zeer weinig bekend omtrent de condities, waaraan lucht moet voldoen om C.M.C. te drogen. Het enige wat w.ij hebben kunnen vinden is de volgende even-wichtscurve, (litt. 10), waarin het evenwichts-watergehalte

~ in procenten is uitgezet tegen de relatieve vochtigheid. De

Jo

/ 0

R.V.in

%

--~)

curve is bepaald bij 300 C. In de bijgesloten grafiek A is deze

"-curve uitgezet tegen de abso-lute vochtigheid. W~ maakten

hierb~ gebruik van de vochtig-heidskaart, door Perry IIr op pag.

1515

gegeven. De even-wichtscurven voor hogere tempe-raturen kunnen we nu interpole-ren (grafiek A).

De condi~ties van de lucht na het mengen moeten nu zoda-nig zijn, als wordt aangegeven door de s~punten van de

hori-zontaal door watergehalte

7.5

%

en de evenwichtscurven. koellucht

koellucht

J

,

na reactor

, REACTOR ~

1

drogen

rt h

lucht uit lucht van J~~~~~--~~~~loon

fabri~ksruimte~ LU.VO.

11U.VO.

Voor de luchtstromen in bovenstaand schema gelden de volgende gegevens:

(Perry 11 Psychrometric Humidity chart

chart p. 1085

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

-17

koellucht lucht uit lucht

na fabrieks- na

reactor. ruimte. lu.vo.

Hoeveelheid cu. ft. _min. 200

_--

-Temperatuur oF 104 68 194

Vochtigheid _{Lb.droge lucht} Lbs. water 0.0485 0.012 0.012

Relatieve Vochtigheid

%

100 80 ₃

Enthalpie _{Lb.droge lucht} B.T.U. 76.0 28.6 60.0

De gebruikte koellucht heeft na de reactor de reactie-temperatuur aangenomen. (400 e). Het verzadigd volume van deze lucht bedraagt 15.3 cu.ft./Lb.droge lucht, zodat de hoe-veelheid koellucht per dag gel~k is aan:

1)

200 • 60 • 24 15·3

=

18580 Lbs.droge lucht dag

Voor het mengen gelden nu de volgende balansen: Enthalpie-balans:

18580 • 76,0 + x • 60,0 = (18580 + x) W_M

2) Waterbalans:

(1)

18580 • 0,0485 + x . 0,012

=

(18580 + x) HM (2)

Door x te kiezen kr~gen we met de vgln (1) en (2) een bepaalde waarde _{voor WM en HM'} z~de de enthalpie en de voch-tigheid van het mengsel. Met de gevonden waarde van _WM en HM kunnen we de temperatuur TM en de relatieve vochtigheid R.V.

M van het mengsel in de "psychrometric chart" terugzoeken.

Voor enige waarden van x hebben ~ deze berekening uitgevoerd. Het een en ander is in de volgende tabel verenigd.

x WM HM

_TM

_R.V·

M Lbs .droge lucht

B

.T.U

Lbs.water '

dag _{Lb.droge lucht Lb.droge lucht OF oe}

_%

5000 72.59 0.04076 124 5~ 47 10000 70.41 0.03574 138 ₅₇ 29 12500 69.56 0.03383 143 62 25 15000 68.87 0.0322l 145 63 22 20000 67.69 0.02958 154 68 16) 22500 67.23 0.02852 ~56 69 15 25000 66.82 0.02756 159 705 13 30000 66.13 0.02596 163 73 12 40000 65.06 0.02357 168 _{755 9} ~

-

----18

In grafiek B z~n de waarden van HM en de temperatuur in

OF

,

uitgezet tegen x. Door combineren van de getallen, die op

één bepaalde verticaal in grafiek B liggen met de grafiek A

kunnen w~ de hoeveelheid te suppleren warme lucht vinden.

Nemen we de waarden van HM en TM die op de verticaal

. 0 50

door x

=

_{25 11ggen (HM}

=

0.02756; TM

=

159 F, 70 C.), dan

bl~kt met grafiek A, dat het evenwichtswatergehalte van het Na-C.M.C. dan 7

%

bedraagt. W~ zullen dus 25000 Lbs droge lucht per dag in de voorverhitter moeten verwarmen om de gebruikte koellucht op de droogcondities te brengen.

Gel~k eerder gezegd neemt de koellucht ca. 1

%

Na-C.M.C.

cellulose in de vorm van f~ stof uit de reactor mee. Dit komt

overeen met ca. 15 kg, per dag en aangezien het watergehalte

van de meegenomen producten ca. 40

%

bedraagt met 6 kg,water.

De hoeveelheid warme lucht, die derhalve extra nodig is om dit

water op te nemen berekenen ~ uit:

6 • 2,205

=

x (0,027 - 0,012)

Hieruit volgt x = 882 Lbs droge lucht per dag. In de

luchtvoorverhitter moet dus in totaal 25 • 882 Lbs droge lucht

worden voorverwarmd' van 680 R tot 1940 F.

Voor de verwarming gebruiken we stoom van 2210 F.

De hoeveelheid warmte, welke de lucht moet opnemen bere-kenen we op 2 manieren:

1) Uit de enthalpie. (perry 11, p.1085)

Wbegin = 28.6 B.T.U./Lb.droge lucht.

Weind = 60.0 B.T.U./Lb.droge lucht.

Q

=

25882 (60.0 - 28.6)

=

8.000.000 B.T.U./dag.

2) Uit de specifieke warmte. (Perry 11, p.1515)

H.H._b

=

_{H.H. e}

=

0.0245 B.T.U./Lb.droge lucht oF.

o

Te - Tb

=

194 - 68

=

126 F.

Q

=

25882 • 0,0245 • 126

=

8.127.000 B.T.U./dag.

Het verschil tussen deze getallen (1.5

%)

is te ~ten

aan de aflezingen van de grafieken. W~ zullen het gemiddelde

aanhouden:

Q

=

806350 B.T.U./dag.

Opm.: B~ de berekening der luchtvoorverhitter

houden w~ geen rekening met de vuillagen.

In eerste instantie nemen ~ een overall coëfficient

aan, zodat m.b.v. de vergel~king Q = U . A (~T)l.m. het

totale oppervlak van de p~pen, waardoor de lucht stroomt,

be-rekend kan worden. Met dit oppervlak gaan we het apparaat

di-mensioneren. Hierb~ worden enige aannamen gedaan, n.l. over

filmcoëf-19

ficienten kunnen ~ vervolgens berekenen als ook een aanname wordt gedaan over de filmtemperaturen. Of de aangenomen film-temperaturen juist z~n kunnen we dan verifiëren met de volgen-de formules:

A

·

otcondensaat-wand • (Tcondensaat - Twand )

=

film

A • _{Q(wand-lucht • (Twand} - Tlucht)

film Hieruit volgt: of ~condensaatfilm 0( luchtfilm

=

OC_I + O(c (A) en

₌

0(1 + O(c 0(1 (B)

Voor de grootte van de uitgangsoverallcoëfficient staan ons de volgende gegevens ten dienste:

1)

2)

Perry 11, p.lOOO luchtvoorverhitters met gedwongen o

stroming. U

=

2 - 10 B.T.U./sq.ft.hr. F.

Autografie P.17 (college Kramers). U = 10-50 Joules 2 0

o 2 0 m C. sec.

(1 B.T.U.jhr.sq.ft. F

=

5.68 Joules/m C.sec.)

We nemen nu aan U = 6 Q

=

U • A • (~T) 1. m. o B.T.U./hr.sq.ft. F. 153 -

27

A •

2.3

log

_153/27

1 "

/s/4"

Stel we nemen

,-14

p~pen en luchtsnelheid 20 ft/sec. Het Reynolds getal is dan van de orde van grootte van 8.000 !

Het volumedebiet van de lucht is:

25882 _{• 16,} 4

₅

_{cu.ft sec.} /

24 . 60 • 60

16, 45 is h t _{e specl le e} 'f' kluchtvolume bi; 194-'\J 0 F in Lb. droge lucht cu.ft.

Voor de p~en hebben ~ de volgende gegevens: buitendiameter

1.315"

binnendiameter 1.04911

doorstroomd oppervlak 0.006 sq.ft.

ft 1 t 0.2745 Sqf·ftt. omtrek in ft.

=

opp.per . eng e =

-De totale buislengte bedraagt dus

Z.~7~

=

280.8 ft. Het aantal _n

₌

25882 . 16 ,45

_-

_-

₌

41 _plJPen. "

--~---~---- - - .- ---

---Bij 1 passe-stroming wordt de lengte van 1 pijp dus

280.8

41

=

6.9 ft. 1) De luchtfilm.

20

Op grond van zeer vele metingen aan gassen en

vloeistof-fen, turbulent stromend in "ronde" pijpen, is komen vast te staan dat:

0.8

:Y3

Nu = 0.027 (Re) (Pr)

In deze formule moeten de stofconstanten worden genomen bij de g.emiddelde grenslaag - of filmtemperatuur

=

ongeveer

t

(T + T_w)

Tb

+

Te

Hierin is T = 2 _{en Tw de} wandtemperatuur.

De wandtemperatuur op 2090 F. stellend vinden we voor de filmtemperatuur

t

(68 +2 191 + 209)

=

1700

F.

Nu is We krijgen dan: A

o.a

1/3 V ., 1700 _{• Di fll17D CP17D}

=

0.027 •

( " l

)

(

)

170 ~ 17D 1 Di

=

/12 ft. ~170

=

0.0173 B.T.U./hr.sq.ft.(oF,per ft.) V

=

20 ft/sec. j0170

=

0.0808

~g8

Lh/cu.ft.

~170

=

0.0206 C.P.

=

0,0206 • 0,672 • 10-3 Lb. ft. sec. Cp

=

0.245 B.T.U. Lb. OF. ()(l

=

0,027 0.8 1/3 12 • 0,0173 (7586) (0.706)

ot

_l

=

6.34 B.T.U./hr.sq.ft.oF. 2) De condensaatfilm. (litt. 11).

Voor de berekening van de condensaatfilmcoëfficient kun-nen we gebruik maken van de formule:

\3

.02

t

0( 0 725 (~ • ÀW . / . g)

C

=

•

D

I"l

At)

op een systeem van horizontale

, welke door Nusselt werd

afgeleid voor condensatie

pijpen.

EU

dit soort afleidingen

wordt aangenomen, dat de thermische weerstand in de

condensaat-film ligt, waardoorheen de latente condensatie-warmte moet wor-den geleid.

In deze formule is

.

W

de condensatiewarmte en

À

de ge-leidbaarheid van het condensaat (alles b~ de filmtemp.). At

Stelt het temperatuurverschil voor tussen de verzaêigde stoom

21

Voor de filmtemperatuur kan worden genomen:

tf

=

tsat.vapor. -

t .

~t

=

221 -

t .

(221 - 209) = 2120 F. ~2:L20

=

0.412 B.T.U./br.sq.ft. oF per ft. bW₂₁₂₀

₌

970.3 B.T.U./Lb. .;02120

=

1/0.01671 Lbs/cu.ft. g = 4,17 .' 108 ft/hr.2 D

₌

1/12 ft.

hl,

2120

=

0.687 Lbjbr.ft. 4 t = 120 F.

Deze waarden invullend geeft: 0( c o

=

2526 B.T.U./br.sq.ft. ~ per ft. begin: eind:

w~ zien dat de beide filmcoëfficienten zeer uiteen liggen.

ct₁

=

6.34 B.T.U./br.sq.ft.oF.

O(c

=

2526 B.T.U./hr.sq.ft.oF.

Substitutie hiervan in de formule A levert:

2526 Tw - Tl ~ T .. -T1

=

152.6

=

2526 + 6.34 153

--+ T

w

=

152.6 + 68

=

220.6

2226 Tw - Tl --4 Tw -Tl

=

26.9

2526 + 6.34

=

27

--+

T

_w

=

194 + 26.9

=

220.9

Voor de wandtemperaturen aan begin en eind vinden we

220.6 en 220.90 F, waarden die onmoge1~K zijn daar we b~ 1 atm.

werken. Gezien de grote spreiding in de beide filmcoëfficien-ten mogen we de warmte-weerstand in de condensaat film zeker verwaarlozen t.o.v. de luchtfilm. Voor de wandtemperaturen

O ·

mogen we eenvoudig 212 R aannemen. Het probleem is nu terug-gebracht tot de volgende eenvoudige proporties.

Condensaattemp.

=

wandtemp.

=

2120 F.

Voor de filmtemperatuur van de luchtfilm kr~gen we nu:

tb + Te 0

tf

=

t (

2 + 212) = 17L.5 F.

Deze waarde verschilt slechts 1.50 F van de

filmtempera-tuur, waarmee de filmcoëfficient 6.34 werd berekend !

3) Buiten de lucht- en de condensaatfilm hebben we nog een warmte-weerstand, n.l. de geleiding door de p~pwand.

o Deze weerstand is

JL -

0.266 _ 0.000852 br.sq.ft.

F

À - 12. 26 - B. T. U. ~ 0 26 B.T. U. "lImild steelll b~ _{212 F}

=

OT.l""""===--'%":I:'

nr.

sq .ft. ]', per ft.

De warmte-weerstand van de luchtfilm bedraagt:

o

1 0.158 hr.sq.ft. R

6,34

=

B.T.U.

22

De weerstand van het metaal is eveneens te verwaarlozen!

Als enige warmte-weerstand hebben we dus de luchtfilm, zodat de overall coëfficient gel~k is aan de film coëfficient der lucht film.

Voor het uiteindel~ke oppervlak vinden we tenslotte:

806 350 1~3 -~7

24

=

6,34 . A • 153 2 30 l o g _

,

27

A

=

72.9

ft 2

De totale buislengte wordt nu 72.9 = 265.5 ft. 0.2745

Aantal p~pen n

=

41.

Lengte van 1 p~p = 6.5 ft.

Re = 7586 d) Cyclonen.

Om de afzettingssnelheid te berekenen van bolvormige deeltjes in een centrifugaal veld kunnen we gebruik maken van de volgende formule:

4 ... 2 r D

(~s

-

~

)

3

~

f

(1)

Deze vergel~king leiden ~ als volgt af uit de algemene

Fanning vgl.:

we g

J = f • A •

t

j':i

u2

Voor een vallend deeltje in het zwaartekrachtveld geldt:

4 D

3

Fg

=T

1f

s

g

(/s-/)

B~ constante afzet snelheid hebben we nu

2 4....- D3 (

f A .

t.f>u

=3 / f 8 g

/s-/)

7Tn

2

Hieruit volgt met A

=

~

u 2 = 4 g D

(~s

-

~

)

3

f / '

Voor een centrifugaal veld is deze formule geldig als door w2r of door v2/r vervangen (vgl. 1).

Voor de deeltjesgrootte, waarvoor de wet van Stokes toe-pasbaar is geldt: f

=

~:

•

Door substitutie hiervan in (1) krjjgen we:

u

=

w2 r D2 (~s -~)

.' 18

.nz

•

23

In de

t~d

rv9 heeft een deeltje een hoek 9 in de cy-cloon afgelegd. In deze t~d is het deeltje ook op een grotere radius gekomen en wel volgens:

S

=

r • 9 • u (2)

v

Hierin is S de afgescheiden afstand en u de afzettings-snelheid. Vgl. (1) in (2) substituerend levert: r 9

w2

r D2 ( / s

-j»

S = V • l8 Af

I

s

e .

V D2 ( / , s - / ) of

₌

18

I>'!

Met deze formule kunnen w~ nu één dimensie van de cycloon berekenen, n.l. S wanneer 9 bekend is. Voor vele cyclonen heeft 9 de waarde 4 n radialen, hetgeen wil zeggen, dat het deeltje gemiddeld twee volledige omwentelingen maakt, voordat het wordt afgezet. Met behulp van S, nevenstaande figuur en de volgende

~

tabel kunnen we de gehele cycloon dimensioneren. De = Dc/2 Het is evident dat deze dimen-Hc = D'c/2 sionering slechts geldt wanneer Lc

=

2 De

toepassing van de wet van Stokes Zc

=

Sc

=

J_{c =}

Be

=

gewettigd is. De grenswaarde der deeltjesgrootte in dit verband is ca. 20~ .

W~ voerden nog een zeefanalyse uit met een C.M.C.-monster van de A .K. U .•

Het bl~kt dat een grote fractie met deeltjes-grootte

<

60~ aanwezig is.

9.6

gr. C.M.C. - - . . 100 mg.

>

210 ~

550 mg. 105"" - 210 ~

2.8 gr. 60fo - 100..1'" 6.05 gr.

<

60 ~

9.5 gr ..

De cyclonen in ons schema werden op boven beTichreven wijze:

gedimensioneerd. Het z~ gezegd dat de gevonden dimensies niet meer z~ dan een benadering, wellicht met het praedicaat goede. e) De luchtvoorverhitter en de stoomspiraal in de monochloor,

az~nzuur oplostank hebben ~ grof berekend met de formule:

Q

=

u •

A •

(~T)l.m.

De hierb~ aangenomen overall-coëfficienten zijn resp.

6 en 70 B. T. U. /hr . sq. ft . OF • (~) ~ . I..~ ,.

-..1

.

~~

~

-

~

.

~

-

3

Literatuur.

1. Plastica 1949, p. 360 Research Lab. N.V. NIJMA.

2. I.E.C., 37, 943 (1945) 3. Germ.Patent 332203 10-1-1918 4. B.I.O.S. 364,547 M. 13 F.I.A.T. 486, 1141 C.I.O.S. XXVIII - 55 5. Swiss.P. 247.440 14-3-1947 U.S.P. 2.476.331 U.S.P. 2.135.128 Brit.P. 231.809 - 231.810 - 463.317 469.901 -572.868 6. Oh.Z. 1, 1244 (1947) 8. Brit.P. 623.276 16-5-1949 U.S.P. 2.510.355 9. I.E.C. Dec. 2803 (1952)

10. Folder Dupont

&

Nemours.

11. W.H.Mc.Adams, Heat Transmission,

rr

nd ed.

12. Voor numerieke gegevens hebben w~ gebruik gemaakt

24