Verslag behorende bij het proceschema: Furfurylalkohol

~ .2..\lO 11R. ~

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het processchema

van

..

....

....

.

...

.

..

r

..~

7r.!.A~ P.~..f..v.x.'r~:R- . onderwerp: ...~_r.v?r~M.~9J:I.9.~ . adres: _{UD JE"f.uF'r 120} DZLF'r datum: T 1')6t).

Warmtewisselaars. 36 Pompen en konstruktiematerialen. 42 Gegevens uit literatuur en encyclopedieän. 44

Beschrijving proces. 2

Berekening apparatuur. 3

De reaktoren 3

Absorptie en additie. 10

Extraktie. 15

Het aanzuren va n de raffinaatfase en 20 filtratie van het furaancarbonzuur. 25

Destillatie 26 INHOUD : I. 11. II.1. 11.2. 111. IV.

v.

V.I. V.2. V. 3 .

V

. 4.

V

. 5.

VI . VII. VIII. IX.

x.

Samenvatting. Inleiding.

Eigenschappen der produktem. Toepassingen der produkten.

Type proces,produktiehoeveelheid en p'l,aa ts der fabriek.

Literatuur.

8 Grafieken,"ov e r all " massabalans en flowsheet. - -'-!_--~ pag. 1 1 1 2 2 46

lj

U

-- - -

-1

Furfurylalkohol.

I. Samenvatting.

Furfural (FF) en natriumhydroxyde (L) worden vo~ens

de Camrizzaro-reaktie omgezet in furfurylalkohol (FFA) en natriumfuraancarbonzuur (NaFCZ).

Aan het niet volledig omgezette FF wordt bisulfiet ge-addeerd (lit.7).Met aniline (AN) wordt dan FFA geëxtra-heerd.Uit het extract wordt door destillatie FFA gewon-nen.Uit het raffinaat wordt met zoutzuur het furaancar-bonzuur (HFCZ) neergeslagen.

II. Inleiding.

II.l. Eigenschappen der produkten (lit.1).

Furfurylalkohol.

FFA is bij 1 atm en 25°0 een kleurloze vloeistof.

Formule

ln1-

CH20H , _{C5H60 2 •} '0/ Mol.gew.

98

Smpt - 14,60 C Kpt 1710 C ~20 1,4870

r

1134 kg/m3 . Furaancarbonzuur.

HFCZ is bij 1 atm en 250 C een vaste witte stof.

Formule

~OOH

, _C5H403,

o

Mol.gew. 112. Smpt 1330 C. II.2. Toepassingen. F.F.A.

Oplosmiddel voor verve n en lakken. Selectief oplosmiddel.

Grondstof voor lijmen en harsen. Raket brandstof.

c•

II.3.

2 H.F.C.Z.

Bactericide.

St anda a r ds t of in de acidimetrie.

Tussenproduct bij de bereiding va n kleurstoffen,farma-ceutische producten en modificaties van polyvinylver-bindingen.

De esters kunnen worden gebruikt als fixeermiddelen voor reukstoffen.

Techni s che bereidingsmogelijkheden.

en

t

mol HFCZ. a.Katalytische reductie van FF.

Uit 1 mol FF ontstaat 1 mol FFA.

Re n d e reent ca 90%.

b.Via de Cannizzaro-reaktie.

Uit 1 mol FF ontstaat

t

mol FFA

Rendeme n t 85 à 90%.

\ /}

~~""o./-( \

IV.

Tot nu toe vindt in de techniek de bereiding plaats volgens a.

Ons doel is echter te trachten een verantwoord proces volgens b. te ontwerpen.

Type proces,produktiehoeveelheid en plaats van de fabr~.

Zoals gezegd bereiden wij FFA volgens de Cannizzaro-r~

aktie.

Wi j berekenen een fabrliK met een kapaciteit van ca. ~

10.000 ton per jaar. V}D-t -t·,J., ;1;,/.." '. . ...

FF word t all een in de U. S •A. gemaakt. L(X,.."",,~.LvÎ)(v("j

Me t het oog daarop plaatsen wij de fab r fu k aan het kanaal ~,..

van Sas van Gent~hetgeen eveneens een goede plaats is

voor het geval mocht worden overgegaan tot eigen produktieI van furfural,(centraal in Europa en aan het water).

Beschrijving proces.

De reaktie wordt uitgevoerd in een kaskade van 3 geroerde tankreaktoren bij een temp. van 800 C.De reaktie is exo-therm.Het rendement der omzetting 85

%.

- - - -- - - "

-.'

'"-.;\....:~:

. 1 -' .....

3

Na de reaktie bevinden zich in het mengsel FF,L,H20, FFA en NaFCZ.

Teneinde de FF te kunnen scheiden va n de FFA wordt

~ ~~aan (tot pH=6) bisulfiet geaddeerd,waarna de FFA \ t--v,(,:'J.,'"" met AN (aniline) geëxtraheerd kan:'worden.Het addi

tie-'

~_<\J

\:..-fll-.rf' ,_',-:ol,\, produkt duiden we aan me t NaA.

tr -,

I-~-rV'v\!J.,\\t( De extr~ktfase _{bevat dan AN ,FFA en H20,}

.vr _{de raff~naatfase NaFCZ,H}

20,NaHS0_3,Na2S0 3 en NaA.

~

~\

~ '

De extraktfase wordt naar de 1e dest.kolom gevoerd,

\ waar het H₂0 gescheiden wordt van de AN en FFA.Over de top komt een azeotroop van AN en H_20,welke zich na koeling scbe id t in een AN-Jen een ~O laag.

De Alf wordt teruggevoerd"naar de extraktie tank. De in het H'20 opgeloste ~ ~ zijn onoplosbaar in het keta

1-produkt.Dit wordt na filtratie naar de 2e dest.kolom gevoerd,waar de FFA over de top komt en na koeling wordt opgeslagen onder stikstof.

Het ketelprodukt,bestaande uit vrij zuivere AN,wordt na koeling eveneens naar de extraktie teruggevard. Aan de raffinaatfase wordt onder goed roeren HOI toe-gevoegd tot ( H+) = 1,waarbij HFCZ neerslaat dat na filtratie en droging e~eens gereed is voor de verkoop. Het filtraat wordt geloosd.

in 10.000

uur

--- 0 8 kg, FF

'-"" , I sec •

We voeren de reaktie uit met een 22% NaOH oplossing H20 in een 30~ overmaat (zie absorptie\V.2),berekend

op de aequivalentie hoeveelheid loog. "'I

T

=

8000, p

=

1 atm.

Berekening apparatuur. De reaktoren.

We berekenen een fabriek met een ka~iUit van

ton per jaar. Ui tgaande van

35Ó

werkdagen à 24 bete kent dit een produktie

-tan

loT!

= 0,33 kgf FFA

350.24.3600 sec

V.I.

2 FF

+

L .. 1 FFA+-1 NaFOZ.

Bîj een conversie van 85~ en een verlies van 10~ moeten

\~l ~ ~-;-, ,

-~'~l\-'

\ll

-

e ui tgaan van

\t~" •\,"" , (2 •0 ,33 t 0, 25•2 • 0,33 )

v.

I•

• ~T './"

oi·

"""\ ...~..:. ...~...t'..

- - - --- - - -

-4

MASSABALANS REAKTOREN

Invoer Afvoer

Comp kg/sec gmol/sec Comp kg/sec gmol/sec

FF

0,800 8,33 FF 0,120 1 ,25

L 0,217 5,42 L 0,075 1,88

H20 0,985 54,75 _H20 0,985 54,75

totaal 2,UU~

FFA

0,347 3,54

NaFCZ 0,457 3,54

'r !

5

Gemeten is een dichtheid

e

=

_{1200 kg/m3} m3/sec

rA_v - 2~002 - 1 67 10-3 rafvoer - 1 00 - , •

Wij definiëren:

de relatieve conversie van FF: W

F_o _ WF

WF_o waarin

=

aantal

COl

_{g voeding}FF op tijd t

=

0 en

W

F

aantal gmol FF 0a tijd t

kg voe ing 2W_L 2W_L _ W_F E = 0 ~E - 1 = 0 0 = massafractie W_{F WF overmaat L.} 0 0 )

We werlmn met 30% overmaat. Voor elke 2 gmol FF voegen we dus 1,3 gI4lOl L toe

=

E

=

1,3 gmol / kg,min. : 7 : : 'Z:"N

e

-

-

j

"ë

--

-è,rd

eJ.

= -

~

Verblijf tijd in één reaktortank Totale reaktietijd

Gebleken is dat de reaktie v

~---~

kL

-2 2/

1 1

tiJ

T:;

1UJ~2 :12

f;~:;

I

} F N

tJ~

W _WF W_F I

w

_F n~11~

_I

-F0 1 2

I

n-1

I

n+-1 N 1 2 n ₁ I

:

-

,

' -I • , 0 ,~ :, o ,I -\1

aft

de

ftJ-e.1f~l _Yfc/;t?~;r .... 6 IS" , o

=tI

(W_F -W_F)

+

_RF V n

e

m_ n-1 n _n of _R Fn Vn e RF 7:

~m

=

-w

- w

= Fn~1 Fn n Dus (T

-

r

)w

=-R-

7::.

)Fn

>

Fn--1 F0 --.I!' --- (1) RF

=

2 RL

= -

2

kL

w

_{F n}2

WL~

"

--- (2) n, IlL .ui.

w

-w

= L o Lu = 2 --- (3)

Substitutie van

(2),(3)

en

(4)

in (1) geeft:

T

b- 2 2

t

Fn WF0 (~ F - 'r_{F )WF}

=

2~!'_{WF (1-} ;>-_{F ) (WL -} 2 n, ~ n-1 0 0

>

n 0 of ) 2

RL

_WF

T

= tg 0<. --- (5) o

Voor de berekening van SF maken we gebruik van de methode van Jones en Weber (lit.8).

-7 We zetten daartoe in graftk no.1 uit (vpor E

=

1,3)

( 1-

r

_{F )}2 ( E - SF ) al s func t ie van

5

F.

Deze figuur wordt onhandel-baar groot.We beginnen

daarom bij (F = 0,6. / '

d:.-/ '

_l<t

?' / ' / ' / ' J.. grafik no , 1. tg 0(

t

grafiek no.2. )?F 1

In een andere grafiek (no.2) zetten we tgo(op logarith-misch papier uit tegen

r

F We kiezen een bepaalde 1 tg

(en daarmee volgens (5) dus een zekere waarde voar ZO) ,vin-den daarmee uit no.2:

(

F .

Met

r

F

en tgo<: vinden we1verde

t

F

,eJz. uit grafiek no 1. 2

tg0(

_rF

l

'Ç

F

2

S

F

₃

5,7

0,608 0,779 0,850

De grafieken no.1 en 2 werden aldus geconstrueerd door Ir.N.van Klaveren (VII).

Wij kiezen een (tamelijk willekeurige) totaalomzetting van 85%,die we willen bereiken door een kaskade van 3 tankreaktoren.Na enig proberen vinden we de bovenstaande tabel.

~----1 _ _ 8

L

= tg ~ tg 0(

~

w

2 = 5,7 Fo

_w

₂ =( 8,33 )2 17,33 gmo1 2

2,002

= _kg

2

• F_o

KL

= 6.10-2 kg2₂ gmol min.

L

=

5,7 = 5,48 min = 329 sec. 6. 10-2 • 17 , 33

t:

₌

V

e

₎ V

=

r:

,

tIJm

=

329. 2,002

₁₂₀₀

=

0,55 m3

~

m

'

e

=

550

L.

Bedenkende dat in werkelijkheid de menging niet perfect zal zijn en er dus een grotere verblijf tijd vereist zal zijn.We stellen dat ~ en dus V 25% groter moet zijn.

V

wordt dan 550

+

0,25.550 ~ 700

L.

Berekening reaktiewarmte.

We berekenen deze in 2 trappm.:

---J~ 1 FFA

+

) 1 NaFCZ 2 FF

+

H 20 1 HFCZ

+

1 NaOR a. h. 1 FFA + 1 NaFCZ 2 FF ~ 1 NaOH --~) volgens a. ~~s = 2LlH - (LlH C

+

.Ll

H

c

)

CFF FFA HFCZ

= -

2. 560,3 - ( - 609 - 488 , 1 ) kc

al/

= -

23,5 2 kmol omgezette FF kc

al/

= -

11,75 kmol omgezette FF bij b , komt~ de neutralisatiewarmte vrij (lit.5)

= -

13500 kc al/kmo1 geneutraliseerde HFCZ

1:.

.

'.. , l

.

~) ~.' '. ",:",-;." .... .I c' , , .'. .' ... .' '.. ~•v., ,L ._ _, Cr·" .-.. ._• •" -,.

.

:'., ,L' -<. I .. (;. ,. ....,.'. , . , , ," r '.' ;-:.: ..

---

.

i./..

.

,.

.

.

--~--

-9

De reaktie heeft plaats bij 800 c.

Ll

_{Hr t}

=

Ers - T

f

c

_p dT Ts

= (

C ~ C ) - ( 2 C

+

C ) PFFA PNaFCZ PFF PNaOH

=

47,2 + 46,9 - 2.40,8 - 16

= -

3,5

~CpdT

= - 3,5.60 = -210 per 2 kmol omg.FF.

s

= -

11,75 - 105

= -

_{117 kcal/kmol omgezette} FF

De totale reaktiewarmte is dan

- 117 - 6750 = :_ ()_~~? kcal/kmo1 omgezette FF·

1e tank:

Dan komen vrij

-3 8 3

2,53.10 .2.6, 67.10

=

34,8 kcal/sec

We voe~ de L en de FF koud in. Voor de verwarming to t 800C

W y W - F = )F F 1 1 0 = 0,608. 8,33 2,002

=

0,608.4,16 = 2 ,53 gmO~~ I + 0,075.0,4 + 0,985.1+0,347.0,482+0,4JS.~,35 I I 2,002 I zijn nodig: 80 2,002 jrcp dT ,waarin Cp is 20

afgevoerde reaktiemengsel (we aan) •

Cp = 0, 12 • 0 ,41 6

de sOOltelijke warmte van het nemen immers perfecte menging

= 0,7 kc

all

kg 0C.

, I

Voor de verwarming zijn dus nodig 2,002.60.0,7 =

_-=

84 kcal/ .1

sec Er komen vrij 35 kcal/sec ,dus moeten wij toevoeren:

84 - 35

=

4~cal/sec

=

49.4,19.103 = 2,06.105

w.

o .'.~ ~. ".: ' . . t ':....~. CJ. ;

.

" .'~( .~.C.• '.. \... . ; ',.1

.

'

.

' .';;'.1. .. , " , ! -)! I

.

.

I. .!. ":.;' r:••• v .L 1L I '

- W F2

=

0,779.4,16

=

3,24 gmol/kg.

=

4,16 - 3,24

=

0,92 gmol/kg 2e tank Dan is 4,16 - 2,53 1,63-0,92 = 1,63 gmol /kg = 0,71 gmol

/kg

10

v.

2.

Dan komen vrij en moeten we dus afvoeren:

0,71.10-3.2,002.6,87.103 = 9,75 kcal/sec = 4,09.104w. 3e tank

.

W F

-w

= 0,85.4,16

=

3,54 gmol/kg

.

_F 3 0 W_F = 4,16 - 3,54 = 0,62

,

,

3 WF

=

0,92

,

,

2 W F - W = 0,3

,

,

Dan moeten 2 F 3 wij afvoeren -3 8 3 _{4,12 kcal/sec} 4

_w.

0,3.10 .2.6, 7.10

₌

₌

1,73.10 Absorptie en additie.

Het doel hiervan is reeds ver mel d onder I en IV. Gebleken is dat bij een pH van ca.6 er genoeg HS0

3 ont-staat om FF te complexeren,en er te weinig H+ ionen zijn om HFCZ te vormen zodat er geen precipitatie van HFCZ kan optreden (zie VII).Het doel ~ S02 toevoegem is dus eigen-lijk tweedelig:

1. pH terugbrengen tot 6. 2. FF te complexeren.

Deze complexering is een reeds lang be~de reäktie van aldehyden (lit.7).

R-C~

""H

r

.

.

.

, · i / -, , _..t_':.

11 I I -~ = 5,9.10 . reaktoren Zie:massablans

( =

1,88) 1,67 = 0,746 (=

~:*f)

H~

.

"

HS0 3' =

---=:;..-H_2S0 3

=

1,122

De in de uitgangs vloeistof geldende evenwichten kunnen dus als volgt worden voorgesteld:

H2S03 ( ) Ri'"

+

HS0 3'

HSO'₃

<

_., R+ t

sa "

₃

HS03' ... FF ~ ) A' Verder zijn bekend

RT = 10-6 L_o = 5 = Dus H

_2S0

3

<

(

HS03I

+

Er .. S03I , S03' , K = ~ = ZHS0 3' HS03' HS03' dus S03" =

5

HS0_3' ---(1)

=

_{FF.HS0 3 '} 4 (Kadditie=)KA = 7,2.10- ---( 2) A' FF balans: FF + A' = FF_o = 0,746 ---( 3) De ontstane hoeveelheid zuur moet gelijk zijn aan de te neutraliseren hoeveelheid base L •

-- 0

ff+

=

_HS03'

+

2 S03"

+

A'

=

L_o

=

1,122 ---( 4) We hebben dan 4 vergelijkingen met 4 onbekenden.

Combinatie van (1) en (4) geeft: 11 HS0 3'

+

A'

=

1,122 FF ... A'

=

0,746 11 HSO ' - FF = 0,376 ) HSO ' = 0,376

+

FF 3 3 11 Volgens ~3) is AI

=

0,746 - FF

Deze waarden in (2) substituerend vinden we: FF (0 ,376

-+-

FF )

=

_7,2.10-4

11 (0,746 - FF)

. '.~-'. l ' I • .t_ : I -, I , I I I , I I

.

_--~-12

Dan is

FF

=

Q,Q15} _{Dus FF}

₌

0,015.100

₌

_{2,01% van FFo.}

FFo

=

0,746 0,746

(als we werken met E

₌

1 ,3) We vonden: E

₌

1 ,3 FF

₌

2% van FF0 E

₌

1,25

.

.

FF

₌

2,8%

, ,

,

,

E

=

1 ,2 FF = 4,6%

, ,

, ,

FF

₌

0,015

A'

= 0,746 - 0,015

₌

0,731 HS0 3

' =

0,376 ~_{1 1}0,015

=

0,035 S03' t

=

0,177 (Controle met vgl (4): HS0_3' ~ 2 S03" t A'

=

0,035 ~ 0,354 T 0,731 = 1,120

=

_Lo We gingen _{uit van Lo}

=

1,122

Dus is de berekening juist).

Het aan t al kmol S02 die we per m

3

moeten toevoeren is x =_~

...

_{HS03' ;. S03"}

+

A'

=

_--

_-

----

°,°

3 5 T 0, 177 + 0, 731 = 0,943 kmol/

m? •

We ne~ aan dat er geen volume verandering optreedt, dan moeten we per sec inleiden:

0,943.1,67 = 1,58.10-3 mol/sec S02

( '," .-i • i ~ J I , , .. I I I I i ' f Hl:

.

, (, -- - - -- - -

-13

/ (

MASSABALANS ABSORP$IEVAT

Invoer Afvoer

!

Comp kg/sec ~ol/sec Comp kg/sec gmol/sec

FF 0,120 1,25 FF 0,002 0,03 L 0,075 1,88 _H20 0,985 54,75 RO₂ 0,985 54,75 FFA 0,347 3,54 FFA 0,347 3,54 NaFCZ 0,475 3,54 NaFCZ 0,475 3,54 NaA 0,248 1,23 S02 0,101 1 ,58 Nam0₃ 0,006 0,06 totaal 2,103 _{Na2S03 0,037} 0,03 1io1iaal

z ,

lVV

Het totaal volume blijft cons1mt

dan is

I

131. = T

=

R

₌

P

₌

---~~ -14 Afmetingen abaorptievat.

Gebleken is dat de oplossnelheid en reaktiesnelheid geen

problemen geven.We dienen ervoor te zorgen dat het ingevoerde gas zich niet als een grote bel gedraagt.We moeten het over een bepaald oppervlak invoeren.

Westerterp (lit.9) heeft uit metingen geconcludeerd dat de volumefraktie gas maximaal ca 0,3 is:

vol. gas

=

1.

)

vol.vmst.

=

7 vol.vgae ,

vol.vl.st , 7 3

We maeten inleiden 1,58 gmol/sec S02.

PV

=

nRT ) V (

=

~

..

i

=

~T

1 ,58.10-3 kmol 200 C = 2930 K 8,21.10

3 ~/kmol,oK

1 atm

=

10

5

N.

=

1,58.10-3• 8,21.103• 293 10

5

-3

=

1,58.8,21.2,93.10 = 38.10-3 m3/sec = 38

L/se~

Het vat moet dus minstens! .38 = 89 L groot zijn.

(Als T

=

600 C

=

3330 K moet het vat ca 100 L zijn).

\1 Wij nemen een vat met een vloeistof inhoud van 100 L en

voeren het gas onderin door ~schillende gaatjes in.

Als we aannemen dat door één roerder 70% van het ingevoerde ga s oplost,dan zal zekr met 2 roerders alle gas opgelost zijn

Om goed te kunnen roeren moet de diameter D ongeveer gelijk

zijn aan de hoogte

H.

ltD2 ... """D2 7t:D3

4

•

H

=

"'~-4- •2D 2

=

100 ) D

=

0,5 m,

De afme tingen van he t va t worden nu:

D

=

0,5 m, H

=

1 + 0,20

=

1,20 m

zodat we een vloeistof inhoud hebben van 200 L,bij een vloeistofhoogte van 1 m.

:. .'~

J

.J

;

15

,

,

, ,

, ,

, ,

, ,

9,7 49,0 Totaal komen dus vrij

Berekening warmte-effect.

Er moeten oplossen 1,58.10-3 kmol/sec 502. Dan komt oploswarmte vrij

-3 3

= 1,58.10 .8,554.10 = 13,5 kcal/sec. Er worden geneutraliseerd 1 ,88.10-3 Xmol/sec~

L

Daarbij komt vrij 1,88.10-3.13,7.103

=

25,8 " Gevormd worden 1,226.10-3kmol/sec Af

Daarbij komen vrij 1,226.10-3.7,9.103=

Het mengsel komt in het absorptievat met een temp. van 300 e

en ~laat het absorptievat met 200 e. (Na de reaktoren wordt

het mengsel dus gè[oeld van 800 tot 300 e hetgeen met water kan gebeuren.Koelen tot 200 e vereist nl. een freonkoeler). Willen we dus uit het absorptievat het mengsel afvoeren bij 200 e,dan moeten we nog aan warmte afvoeren

Pm. e_{. p} ÀT = 2.0,7.10 = 14 kcal/sec. Totaal moeten we dus afvoeren

49 + 14 = 63 kcal/sec

=

2,64.10 5

w.

(Zouden we geen warmte afvoeren,dan zal T stijgen en wel 2.0,7 ( T - 20)

=

63, of

T = 650

_o

ï.

V.3. De extraktie.

Zie hiervoor grafiek no 3 A en 3 B.

I Grafiek 3A berust op laboratorimu gegevens.

Gemem werd het systeem. H₂0 , AN , FFA, he t geen in principe onjuist is omdat wij te ma~ hebben met een oplossing van verschillerr de zouten (zie absorptie) in H20.

Uit grafiek 3B werd grafiek 3A geconstrueerd,met behulp waar-van wij de bekende constructie konden uitvoeren.

y~ Wij deden di~ met voor 5 zuiver aniline,hetgeen slechts een kleine onjuistheid met zich meebrengt.

De voeding F bestaat uit

0.347 kg/sec FFA

=

0,347 • 100

=

16,5 gew

%

2,1 en 2,1-0,347

=

1,753 kg/sec H~O F = 2,1 kg/sec

=

83,5

,

,

, r :.,1.,

',',~. ••• 1. ,.... :.:J.

.

...', ; "

.

.

,O( I • _~0" , r -;~ -' ',' -!. " ,

--~ - -- ~ -16

~

=

FK / KS

=

~5:~

= 0,1604 --; S = 0,1604.2,1=0,337

k~seAJ

en S

*

F

=

2,437

=

_{E1 T R4} E 1 ---

4

05 R 4 =

R

4 K / KE₁₌ ~ = 0,3582 _~) E_{1 = 0,3582} R₄ R

₄

= 1,793 kg/sec. E 1 = 0,644 "

Uit grafiek 3A lezen wij de samenstellingen van

,

,

, ,

/

: 7

40 53 gew

%

~20 = 0,07.0,644 = AR = 0,40.0,644 = FFA = 0,53.0,644 = 0,045 0,258 0,341 kgjsec

,

,

, ,

E₁ totaal _{= 0,644}

,

,

R₄ 95,7

, ,

HO = 0,957.1,793= 1,717₂

, ,

4,0

,

,

AN = 0,040.1,793= 0,072

,

,

0,3

,

,

FFA = 0,003.1,793= 0,005

, ,

R₄ totaal = 1,794

,

,

Voor de berekening van de massabalans nemn wij aan dat de in het water opgeloste zouten zich e~edig _{over E1}

en R

:).. • t t , -,~~ ,-~_,•J •~ ~ t ' _..-+~ ,

,

~. -~'... t • \ ' .r, ., ../ ..r.

-- - - - ~~

17

MASSABALANS EXTRAKTIE

Invoer (F+S) _{Afvoer (E1+R}

4)

I

Comp kg/sec Comp kg/sec gmol/sec FFA 0,341 FFA 0,341 3,48

ff₂₀ 0, 98 5 _H20 0, 025 1,39 FF _0,002

~~=

NaFCZ 0,012

NaFCZ _{0,475 2 1}

_,

NaA 0,006 NaA _{0,248 kistec} NaHS0

3

,

j

0,002 NaHS0₃ 0,006 _Na2S03 _ _Na2S03 0,037 FF

---IN----

-~~j7--- AN 0,258 2,18 Totaal 2,437

,0~

0,644 1

---

---FFA 0,005 ~O 0,960 NaFCZ 0,4 . 3,46 NaA 0,242 1,20 NaHS0 3 0,006 0,06 Na2S03 0,036 0,29 FF 0,002 0,02 AN 0,072

~~

1,186 4

To taal .eJ~

+

.eJ

~ 2,430 1 4

t

\

18

Berekening dichtheden en volumestromen.

Afvoer absorptievat = voeding (F) extraktie.

~~

= 2,1 kg/sec. }

{J

F= 1250 kg/m3

-3

~v

=

1,67.10 m3/sec. F

We voegen daaraan toe aniline (S)

~~

=

0,337 kg/sec. } ~v =0,33.10-3

f

s

= 1022 kg/m3 S

>6

_V =~ +~

+>6

E1 VAN VFFA VR20

=

0, 2 58 + ° , 3 41

+

0,025.10-3 = 1022 1134 = 1730 1250 1,03.10-3 m3/secj

f

R

1,786 kg/sec 4

=

1130

f

s=

1022 f _E1

=

1110 ~V

=

~V ...

>6

_v

R 4 Ef20 . AN

=

0,96.10-3

+

0,072

=

1022 ~

=

~4

en e F

=

e

R 4 Dus

A

We zien hieruit da t we een kolom kunnen gebruiken. Daarvoor moeten we K-o veralt schatten uit bsv , de

Chilton-ColbuJl!hana-

---logie.Echter beschikken we niet over diffusie-cöïf ficenten.

We extraheren daarom in een apparaat volgens Lurgi met 4

r-kamers. Blokschema:

~(---~-- - - - --

19

P = F _{- E1 = 2,1 -0,}64 4 = 1 ,46

P

=itjË2/Pff1=2 , 57 - + _E2= 1,46 _{0.57 kg/sec~}

E2 2,

57

worden geIIBngd F = _{2,1 "} in 1e kamer. R1 = P

+

_E2 = 1,46 ... 0,57 = 2,03 kg/sec.

}

gemengd in P _{3,24 ~} E3 =

j

:~î

0,4 5 2e kamer. E 3 = =

,

,

R2 = P

+

E 3 = 1 ,46

+

0,45 = 1 ,91

, ,

}

gemengd in P _3,78 E

=~

=

0,39 3e kamer. E:"= _{) 4- ,}

,

,

4 R 3 = P + E4 = 1,46 + 0,39

=

1 ,85

, ,

]

gemengd in S

₌

0,34

, ,

4e kamer.

Berekening grootte extraktieapparatuur.

=

2.:21.

=

0 52

1100 '

=

In de eerste kamer worden gemengd E_{2 en} F.

~~

=

0,57 kg/sec. 2 Stel

(

E

2 ~ 1100 _1,6.7 L/sec.

,

,

~V

=

0,52 + 1,67

=

2,19 L/S80. totaal

Wij nemen een mengtijd aan van 5 min.

=

300 sec.

en een ontmengtijd van 3 x 5 =15 min.

=

900 seo.

--)~ Vmengvat

=

T.~v

=

300.2, 19 ~ 660 L.

We nemen weer een hoogte H

=

2D (diameter).

3

\

3

/

----+) V

=

~

en D

=

V

-

~

t:::::"- 75 om.

De vloeistofhoogte = 150 cm.

en afmetingen mengvat 75 x 170 cm.

( ,

( .

,' -',

Bîj het aanzuren van

~VR

brei die onhandelbaar 4

20

:1-

-D

=

\

2V ~ 110 cm. u: Vloeistofhoogte 220 cm. Werkelijke hoogte 240 cm. Afmetingen ontmengruimte 110 x 240 (220) cm.

V.4. Het aanzuren van de raffinaatfase.

met geco HCl ontstaat een dikke wordt.Wij moeten dus verdunnen. Bij te grote verdunning blijft er te veel HFCZ in

oplos-sing hetgeen dus ver l or en gaat,daar wij het filtraat

moeten lozen.

,

MASSABALANS AANZUURVAT I

_

.-Invoer Afvoer

Comp kg/sec gmol/see Comp kg/sec gmol/see

\ NaFCZ 0,463' 3,46 HFCZ.v 0,295(1· 2,63 NaA 0,242 ' 1,20 _{HFCZ opl• 0,091} .. 0,83 FF 0,002 .J 0,02 FF 0,003 v 0,03 NaHS0 3 0,006 0,06 NaA 0,240 1 ,19 Na2S03 0,036 0,29 NaHS0 3 0,001 0,006 AN 0,072 HCI .:), 082 2,3 If₂₀ 0,960 _H20 2,150 FFA 0,005 AN 0,072 ~iëï---

-<5-;~j4---}

0,65 Llsee FFA 0,005 ~O 0, 540 HCI,36% NaCI 0,240 4,1 H!₂

°

0,65 Totaal 3,20 Totaal 3,18 oplosbaarheid HFCZ = 4

gl

100 ml = 0,357 gmol /L.

- - -- ~..- - ~--21 L HF CZ K

₌

H+. FCZ-ZHFCZ _{HFCZ m.ax} opl LHFCZ

=

K _• HFCZ ZHFCZ L HF CZ

=

2,53.10-4• m.ax opl

=

H+.FCZ- = oplosb~ heidsproduct. -4 = 7, 1• 1

° .°,

3 57

Willen we HFCZ neerslaan dan moet

...

-

~ H .FCZ ~ _LHFCZ dus 2 =7 ,1 .10 3,36 gmol/L. -4 7,1.10 10-6 HFCZ opl

dan is dus HFCZ opl

«

FCZ- .)

=

3,46 gmol/sec } ~ FCZ-= 3,46 =

~V (=~V

)

=

1,03 L/sec 1,03 o R

4

-4

Dus moet

N+

'>

2,53.10 = 0,75.10-4 / 3,36 K FCZ' ZHFCZ (Bij pH = 6 = = Ef+ FCZ

Vervolgens moeten we weten of er bij H+/ 7 ,5. 10- 3 S02 ontwijkt of niet!

S02 balans vóór het aanzuren: A' + HS0

3' + s03"

=

1,2 + 0,06 T 0,29 = 1,55 gmol/sec. Maximaal kan 1,03 L bevatten

1,03.1,34 = 1,38 gmol/sec S02.

Hieruit volgt dat,hoe zuur we de oplossing ook maken (dus nog niet eens rekening houdende met het feit dat het volume ca. 2 x zo groot wordt) er geen S02 zal ontwijken!

Voor het aanzuren gebruiken we geconcentreerd zoutzuur (36%).

HClgec bevat 360

36,47

=

s.

22

We voe@en voor elke liter gec. 1 liter H₂₀ toe,zodat

wij toevoegen een oplossing die bevat:

9,86 = 4,93 gmol/L H+.

2

Stel dat we nodig hebben x gmol/sec HCI

dan ~

=

~ +.2S..-Ve i nd V_o 4,93 dus

~Ve

= 1,03

+

4~93

of x

+

5,08 = 4,93 ~v.

---

(1)

e

+

We voegen zoveel Hel toe dat H = 1 wordt,er slaat dan

HFCZ neer en er ontwijkt geen S02.

-2 1,7.10 1 ~ HS03' = 0,017 S02 --- (2) dus SO "₃ Hor SO " SO "

Kz

- __

-=-3_ ~ 3 HS0_3' - HS0 3' HS03'

«

HS03'· FCZ

-

= LHFCZ

=

2,53.10-4 H+

HFCZ opl = 0,357 dus FCZ

-

<<.

_{HFCZ opl.}

-4 I FF = 7,2.10 ---(5) 1 A' _{__} HSO₃1 I_I

!

,

..

SB

)

o"

+

HS0_3' ... S02) =1 ,2+0,06+0,29 i + _HS03'

+

S02) = 1,55

---(6)

\

i I I I I I HS0₃' FF KA = ---::;.---A' Na het aanzuren: _I

FCZ' balans : 3,46 =

(HFCZOPl

j:-~)

~v

e

+

HFCZI I

dus 0,357 ~v. ~ HFCZ

_t

=

3,46 ---(3) e FF balans: 1,20 ~ 0,02

=

(A' + FF) ~ ve dus AI

+

FF

=

1,22 ---(4) 1 ~v

.

.

_

e

\;.:;" ) S02 balans: ~ve

(A'

dus _Pti (A' Vr

i. 1 I I I I I '" , ' I, (.... .:1 I 1

23

Alle FCZ' wordt omgezet in HFCZ hetzij in oplossing, hetzij als neerslag.

Daarvoor nodig dus 3,46 gmol/sec H+. 0,29 gmol S03" wordt eerst 0,29 gmol HS0

3t. We hebben nog 0,06 gmol HS0

3t. In A' zit 1,2 gmol HS0

3t.

Ver ander i ng van A' is : 1,2 _ At d

"ve ·

Daarbij komt vrij (1,2 - At. ~ ) gmol HS0 3'. v_e

De HS0

3' die na het aanzuren blijft bestaan is HS03'· ~v: gmol ,

e

We hebben dus nodig aan H+

~

O'29

x =3, 46

+

0,29 of 0,06

) -(HS0

3 '

wxJ

+

1.~v; • 1 ,2 - AI. _.0Vë.

e

dan x = 5,3 - A'.0v: - HS0 3'.0v: +.0v gmol/sec H+ ---(7)

e

e

e

(Uit de praktijk is bkend dat 'an i l i ne met furfural rea-geert,kwantitatieve gegevens (evenwichts-constante) bezit-ten we niet.Ook webezit-ten we niet in hoeverre dus deze reaktie invloed uitoefent op de concentraties van FF,A' en HS0

3'. Aniline bindt ook zoutzuur.Vanwege het bovenstaande kun-nen we dit echter niet än rekening brengen.Waarschijnlijk maken we geen grote fout daar de hoeveelheid AN t.o.v.

ç ~. rlrlKXg%Jl[llIni:sx;J

FeZ' niet al te groot is).

We hebben nu 7 vgln met 7 onbekenden,zodat oplossing mogel i jk is.

(7 ) kunnen we schrijven als

= ~ x - 3,75 = ~v: S02 +.0v:

--(8)

e

e

x

+

5 08

=

.0v. • 4 93 ---(1 ) _ , e , -8,83 = .0v S02_~

+

.0v - 4,93_e ~v:_~

---(9)

---(7)

+

1 x-5,3

=

t?Jv:

_e 1,55 )Óve x-3,75 = .0v

_e

of

...1 _ 24 FF At -4 7,2.10 HSO t 3

=

7,2.10-4__

=

4,24.10-2 0,017 S02 S02 ---(10) -2 FF _ 4,24.10 ·~ve At 3,93 ~v -8,83

e

-~> FF

=

-2 rJ. 4, 24. 10 f' "'ve At 3,93 ~v - 8,83

e

At+- FF

=

1 ,22 00v; -2rJ. ~ ~ 4,24.10 "'v=:) 1 22 3,93 rdv. -8,33:.1.,.U.-1'O·- ~] At (1 t ~ = '

=

A' ( --~~~1t--::~-";;'-n""""""---;1 3 93_{, '"}rJ._{Y; - ,}8 83 _'"rJ._v

_e

3,93

0

_v

_e.

-

8,83

We zien dat A'

~

~

dus FF

«

A'.

v 2,63 gmol/see.

, ,

,

,

,

,

,

,

,

,

gmol/see 4, 93 _{rdv -} 5,08

=

5,3 - 1,22 e of 9 31 ~_v - , - 2,33 L/see. e-

3, 998'

-HFCZ,

=

3,46 - 0,357.2,33

=

dus 2,63.100

=

76%. 3,46

=

0,35

=

0,006 = 1,19 = 0,03

=

2,63

=

0,83

Terug naar (7) : x

=

5,3 - A' ~ - HSO t ~ + ~v.

v

_e

3 ve-

e

Substitutie va n x,A' en HSO~ geeft:

- 0,017(3,93 rd ve - 8,83)

+

rdv~ S02 HSO t 3 A' FF HFCZ, HFCZ op1

We berekenen nog het

%

H}'CZ bij toevoeging van meer zuur en/of meer H20 :

H+ in gmol/L ~v_e. in L/see _% HFCZ x in gmol/see

1 2,99 69 7 , 1

1 2,33 76 6,4

2 4, 06 58 12,3

=

!ti

=

2,33 13/sec v_eJ.n. d

rr

n

3 2 55 cm. 25

~v

=

2,33 , we moeten dus toevoegen

e

2,33 - 1,03

=

1,3 L van een mengsel van

HClgec - H20 , 1 : 1, welke oplossing 4,93 gmol/L K+ bevatte.

Totaal dus nodig aan H+: 1,3.4,93

=

6

, 4

gmol/sec H+.

of 0,234 kg/sec HCI

of 0,65 _{L/sec HClgec•}

en 0,65 _{L/sec H20.}

1 liter HClgec (36%)

=

1,19 kg.

We hebben nodig

0,65

=

0,

65.1,19

=

0,774

kg/sec.

Deze bevat 0,65.3 60

=

0,234 kg/sec HCI

en dus 0,774 - 0, 234

=

0, 54 kg/sec H

20.

Afmetingen aanzuurvat.

We nemen aan dat het 2 min. duurt voor alle neerslag is

gevormd,

r

= 120 sec. V =T.~v L. ~v ~ ~v ... ~v o _{(HCI ... H20)} ~ V = 120.2,33

=

280 L

=

- 4 D

=

\

}

Ó~

=

5.5 dm

=

Vloeistofhoogte 110 cm. Afmetingen vat 55 x 130 cm.

Filtratie van het furaancarbonzuur.

Er slaat neer 2,63 gmol/sec HFCZ

=

0,294 kg/sec.

Wij filtreren dit af met een continue filter.

- - - _._ - --

-.

.

., .

.

..; ~) - - - - -_._ - - - - - - - - - - - - - - - -j •

26

V.5. Destillatie.

V.5.1. 1e destillatiekolom.

FFA

170ö'

Het extract (E1) bevat _{H20 (met zouten),AN en FFA. H20} vormt zowel met AN als met FFA een azeotroop,zoals in

onderstaande figuur aangegeven.De voeding (E₁=)F bevindt

H20 1000 zich wat samenstelling betreft in gebied I.Bij

destillatie krijgen we dus in het uiterste ge- ,

val AN in de keià.., een m.engsel van 80 gew

%

H

20 over de top en FFA

ergens in de kolom.Wij beschouwen het systeem echter als een

kwasi-AN 184,4P 80 gew %H₂₀ 900 binair systeem.

(H2ë

+

AN) - (FFA

+

AN) 1 ,39 gmol/sec HO ' } E1 bevat 3,48 .. F;A} . 7,65 11

h

r{/"'~

6 26 t I 2,78 " AN' ' De azeotroop is in gewichts

%

:

80% H 20 en 20% AN.

In mol % wordt dat :95,4%H_{20 en 4,6%} !N.

Op het water betrokken is dan het mol

%

AN: 4,6 • 100 = 4,82

%

.

95,4

We moeten ons F opgebouwd denken uit:

-2 (1,39 t 4,82.10 .1,39) = (1,390

+

0,067) = 1,457 gmol/sec (H 20 + AN) en uit (6,260 - 0, 067) = 6, 193 = (3,48 t 2,71) gmol/sec (FFA 1" AN) DusF : 1,390 gmol/sec H20}

{O,O

67

AN 1,457 gmol/sec(H2O+AN) ~ x,y 2,78 _2,710

' ,

AN } 6,190

'

,

(FFA-tAN)

3,480

,

,

FFA

'

,

-~-~~-~---~

~---.,.

. !

-

:) ,

---~ ~ 27 Berekening evenwichtslijn.

=

_mm bij 900

_c.

i\\l-,Otl"'J - i

=

760 mm 27

mm

}

P = 28, 5 30 mm gem P_{a z} PAN P_FFA

=

Kpt FFA = 1700

a

'l

ó= 14,4 AN = 184,4°

c

]

Het Kpt van het mengsel (FFA

+

AN) is 170

+

2,71 • 14,4 ~ 176°

a.

6; 19

De aze~troop kookt

bij 900 C

stellen we de damp ideaal dan is bij een bepaalde temp.:

~ 760

v H

₂₀

+

AN/FFA + AR

=

28,5

=

26,7.

s

=

:j..~x _

1

+

(~- 1)x

De resultaten hiervan

_ _~~ y

=

26,7 x

1

+

2:5,7 x

zijn uitgezet in grafiek;no.4.

T

t

y

t

t

T

De T -

x,y

figuur en

x,y

figuur zijn voor het geval van een azetroop met min.Kpt.,zoals links is aangegeven,maar worden nu voor het kwasi-binair systeem,zoals rechts is aangegeven.

~ x,y

_>

x ~

;;J[

'i

-->

?e-We verstaan nu onder de mol fractie x

.

_• (H_2O

₊

AN) •

~

=

1,7

4

_{, 615}

57

_.

= 0,1905.

We eis~en x

D = 0,995 en ~ = 0, 00 5.

Ui t F = D ... K en F~

=

Dx

₊

_~

volgt: D

• t .~. . r ., - -_.._- - - -- --, '1 -- t

- -- - -- - -• 28 7 65 0,190 5 - 0,00 5 ---3t D = , • 0,995 - 0, 00 5 en K

=

6,21 5 gmol/sec.

=

1,435 gmol/sec.

We weten hoe K en D zijn samenges t el d en kunnen dus de massabalans opmaken.

MASSABALANS 1e DEST. KOLOM

Invoer Afvoer

I

I

Comp kg/sec gmol/s ec Comp kg/sec gmol/sec H:₂O 0, 0 25 1 ,39 H₂₀ 0,024 5 1,360

AH 0,07 AN

0, 2 58 0,0066 0,07 1

AN 2,71 AN

FFA 0, 34 1 3,48 FFA 0,0004 0,004

Zouten O,O2~

-

,

Zouten

-

-I totaal 0,644 7,65 D totaa1 0,0315 1,435 H₂₀ 0,000 5 0,03 AN 0, 2514 2,71 AN FFA 0, 3406 3,48 zouten 0, 0200

-K totaal 0,612 5 6, 220 (D+K) totaal 0,6440 7,655

/ '

I

I

29

Terugvoer aniline.

D

=

0,032 kg /sec

T_D

=

980 C (zie grafiek no. 5).

DH

n

=

2,2 kcal/sec (zie warmte bàans ) als T

_O

=

200 C.

Bij koeling tot 200 C moeten we dus afvoeren 2,2 kcal/sec.

Er ontstaan nu 2 lagen.

De waterlaag (bovenste) bevat 0,0245 kg/sec water

met daarin opgelost 3,4

%

AN,dus 8.10-4 kg/sec.

De AN laag bevat dus ( 66 - 8).10-

4

=

0,0058 kg/sec

AN.

Dat is dus 0,0058 100

=

2,25

%

van de voeding.

0,258

Koelen heeft dus zin. De 0,006 kg/sec AN wordt

terugge-voerd naar de extraktie-apparatuur.

Terugvloeiverhouding en warmtebalans 1e kolom.

Vl-,r {~f'

F = qF + (1 - q) F

We voeren de voeding F

iets beneden zijn

kook-

-'=----p~nt in de kolom.Dan is

q

=

1 en G' =G+(q-1)F = G.

I

Bij de grafische construcf.

tie va n het aantal schotel

volgens McCabe en Thiele

blijken we 5 theoretische I

schotels nodig te hebben I

= 1. \':~~";"" " ,. ~

-3

~ _ ...~!P G

=

G' = 2D =2,78.10 kmoI _ e :>

L

=

D

}

G

=

L

+

D

G

l

t

L:

-

~

tvV.I" ~I

bij een it erugvloe i ver hou d i ng R L

R

=

1

=

D

(Temperaturen:zie grafiek nO~-2)

Q = G' (H' I _ H' ) 168. H' I

-mrt

=

~ o.!lHv~6~

+ x AN

~

H~

68 + x., LlH168 2 2 AN .l!'FA v FF A

=

0,0048.8,64.103 + 0,436.9,8.103 + 0,559.1,08.10 4 = = 10362 kcal/kmol ~ Q = 30 kcal/sec = 1,26.105 W

~ : J

.

.

,

, '-- ~ I I I

30 QI = G (HI I _ H')98 K" - Ir' = x., .AE98 + x AN .óHv98

~:L.

~

H98 .ti2 0

"

a

0 AN .J!'FA v_{FF A} 2 3 4 · = 0,947.9,71.10

+

0,049 5,1,02 5.10 TO,0028.1,275~ 10<t = 9743 kcal/kmol ---;.. QI =28 kcal/sec= 1,17.1 05w.

Als er geen warmteverliezen optreden moe t gelden:

Q + FEF = Q' +

KEK

t DEn --- (1)

o I

Basis temperatuur T_o = 20 C.

We stellen de enthalpiewaarden bij T

o = O.

F H + F T.T; F loL.

HF

= ~20 H 0 XAN

l"llill'"

~FA -':.I!'FA

T_F 2 TE TF( I

=

~~O

f

CH OdT -t

xJ

yaAN

+bANT)dT+~~A J(~FA~F'1

To 2 _{To To} dT

= 5030 kcal. FH

F= 7,65.10-3.5030 = 38,5 kcal/sec.

Voor KEic vinden we 43 ,9 kcal/sec. en voor Dff

D = 2,2 kcal /sec.

De gevonden waarden invullend in (1) krijgen we

30

+

38,5 28

+

43 , 9 + 2,2

68 , 5 ~ 74,1

(Deze waarden liggen tamelijk ver uit elkaar,hetgeen te

wijten is aan onnauwkeurigheden in de gegevens. Voor al in

A~ zit een grote fou t . De z e werd nl. bepaald volgens

FFA

een nomogram (lit.4).De warmtebalans van de 2e kolom was

aanvankelijk nog minder juist.Door het ve r ander en van

Ll

ff

_v

werd deze ongeveer kloppend gemaakt,waardoor

FFA

echter de balans over de 1e kolom niet ve el ver b e t er i ng

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

- - -- - -

-31

Berekening van grootte 1e kolom.

a:

= 2,87.10-3 kmol/sec (=n) • PV = nRT T _{= TK = 1}68°c = 4410 K P = 1 atm = 105 N R = 8,21.103 J/km.ol,

"x

0,025 m/sec dm/sec) 8 -3 8 3 ~

rb

(=v)= nRT=2, 7.10 • ,21.10 .441 = 0,104 m3/sec v P 105 ~ ~~ = L

+

D = 2D = 0,063 kg/sec (= 104 L/sec)~

e

/

~

r4m/~v

= 0,605 kg/m3. u =

c

·~

= C 1000 - 1 = C.40,6 ~~. 0,60 5

Bij een schotelafstand van 0,03 m is

C

=

~ u = 0,025. 40,6 = 1,02 m/sec (= 10,2 . 2

rb

v 7tD2 ~n dm )

=

-U-

=

~

\

_V

~

_~

_•

_{~ = 3,6 dm = 36 cm.} F (= kolomdoorsnede

~ D

=

\

/

4

.

~v

=

Vtc

u

Om een schotelkolom te kunnen maken moet D,in ver band met

de constructie van de bubblecaps,minstens 50 cm zijn.

We vinden een D van 36 cm en zouden daarom beter een

ge-pakte kolom willen maken.

Bedenkende dat door het ver dampen va n het water de daarin

opgeloste zouten onoplosbaar achterblijven in de AN en

FFA,waardoor een gepakte kolom ver s t op t raakt,maken we

noodgedwongen toch een schotelkolom en wel met zeefplaten

met een D va n 50 cm.

Het aantal theoretische schotels is 5.Stellen we de

----efficiency op 75,..~,....~---à,/80

%

dan moeten we er 6 gebruiken,

waar-door de hoogte van de kolom wordt: 6 x 30=180 cm= 1,8 m.

Het ketelproduct van 0,61 kg/sec bevat 0,02 kg/sec (72 kgf

uur) aan zouten.Deze worden afgefiltreerd met behulp van

een f i l t er per s met platen(

a.M,(7:vV\

t?vf;·~e

r&

t.;/.e'Vl Î,a.e,r~

).

.

.

.

'

\

,.1

s

32

V.5.3.

2e destillatie kolom.

Kpt AN 184,40

c.

Kpt FFA 1700

c.

De berekening "Van de evenwichtslijn in het y-x diagram

wordt weer uitgevoerd in b.v. de relatieve vluchtigheid.

We stellen de damp weer ideaal en dan is bij een

bepaal-de temp •.

:;I.

FFA = FFFA

JAN

FAN •

Het systeem AN - FFA vormt geen azeotroop.

bij 1700 C _{FFFA = 760 mm}

j

_{17000 760 i}

FAN = 520 mm 0.:: = ?2<J1 .46}

1750

eX

=1,4;E

blij

c

_{FFFA = 900 mm )}

cl

_{75°0= ggg-1. 50 gem}

FAN = 600 mm

_ ..,!.x _ 1,48 x

- 1+{v\- 1)x - 1+ 0,48 x •

De resultaten h Ler-van zijn uitgezet in grafiek no.6

We eisen x D = 0,975 en ~-~ D

=

F.

=

6,19. Xn-~ ~

=

0,020 0,562 - 0,020 0,975 - 0,020 =

3,52

gmol/sec. en K = 2,67 gmol/sec.

(Wij hebben het aanwezige H20 ver waa r l oos d en stel~ ons

voor dat dit geheel in het destillaat terecht komt). De massabalans ziet erdan als volgt uit:

I

I

I

- ----

-33

MASSABALANS 2-e DEST. KOLOM

Invoer

_I

Afvoer

Comp kg/sec gmol/sec Comp kg/sec gmol/sec

FFA

°

_,341 3,48 FFA 0,336 3,43 AN 0,251 2,71 AN 0,008 0, 09 H20 0,0005 0,03 _H20 0,0005 0, 03 totaal 0, 592 5 6,22 D totaal 0, 3 445 3,55

---

---

---FFA 0,005 0,05 Al{ _{0,243 2,62} K totaal 0, 248 2,67

D-K

totaal 0,5925 6,22

Het gehele ketelproduct wordt na afkoeling tot 200 C teruggevoerd naar de extraktie-apparatuur.

s.o.,

- - - -- - - _.

34

Terugvloeiverhouding en warmteba~s 2e kolom.

L

We voeren F weer iets

bene-0) / 1-;:- )0 / , L~

~

Q

=

G.(ff"_H,)184=G

(~

À 184

+

x._

~H184

)

~'FA _vFFA AN- vAN I

=35,2.10-3(0,0187.1,08.10 4+0,981.9,8.103)

=

343 kcal/sec = 1,44.106 W.

In de kondensor komen vrij Q'

=

G (H"

- H' )171

Q' = 35,2.10-3(0,975.1,08.104 + 0,0256.9,8.103) 6

=

344 kcal/sec = 1,44.10

w.

,

,

,,

395

=

396 • Q +

F

HF=

Q'+ ~ + DHn --- (1) = 52 kcal/sec

=

22

=

30 geeft Weer moet gelden :

We vinden voor FH

F

"

:KE1c

en " _DHD Substitutie in (1)

I I

! .

.

.

_ . I

-35

Berekening der afmetingen van de 2e kolom.

Uit PV

=

nRT (waarin n

=

6

=

35,5.10-3 kmol/sec,

T

=

T_K

=

184

+

273

=

4570K, en P

=

1

a~

=

10 5 N) volgt:

=

1,33 m3/ s ec .

=

2,6 3,5 1,33 -3 8 3 35,5.10 • ,21.10 .457 10

5

r vl s t ~1000 ( =~AN bij 1840 C)

V

10 0 0 \ /. u

= c

2,6 -

1 =

c

y385 - 1 =

c.

19,6

() Willen we een u hebben va n ca 1 mlsec dan moeten we

een schotelafstand hebben van 0,6 m dan is C

=

0,06 mis

----..;;:>~ u = 0, 06 • 19,6

=

1, 176 mis e c •

D =

'V

L.

~v

-=

I(

L ·

1330 =

1

/143

= 12 dm=120 c

:> Fr u ~ Z;C 11 ,76 VI'TJ

Het aantal werkelijke schotels moet zijn zoals we reeds zagen 30.

- - - _.- --

36

VI. Warmte wisselaars.

Zoals uit de flowsheet blijkt gebruiken we ve r s ch i l l ende soorten warmte wisselaars.

Ter illustratie van de op pag. '+Overmelde gegevens zul-len we enkele voorbeelden geven van de berekening

hiervan.

a. WW2. Vo or b e el d van een spiraalkoeler.

Doel is het afvoe ren van de reaktiewarmte in de 2e reak-tor, terwijl een temperatuur van 800 C gehandhaafd moet worden. Schematisch is het

80 40

uit

onderhavige geval hiernaast afgebeeld. ~w=9,75 kcal/sec=40,9 KW.

Q

=600 (tabel Kramers).

~

t1 =

40

l

~

T

=

49

b.

t 2

=

60

J

log gem koelwater in 20 2

=

1,4 m ~w A

=

it"'"ET

=

We gebruiken pijpen met Di

=

25 mm (DM. = 32 mm). Deze hebben per meter lengte een inwendig opp. van

2

-0,07'85 m.

Het totale koel opp.

=

18 m.

=

11.

18

=

1,4

0,0785

als een spiraal in de reaktor met een Totale pijplengte

We leggen de pijp diameter van 0,55 m. Aantal windingen

= 0,5 kg/sec. aantal kcal/sec

1. Op , (Tuit - Tin)

= 9·,75

1.1.20

=

0,5 L/sec

=

1800 L/uur.

te

° ,55

~~~=-~~~~---• I,. t L _ '..~-. ~ .~... 'l.- " \ ,,

37

Bij~ 700 L/uur is Re " / 10.000.

Du s de stroming is turbul~t zodat

U

600 ze~

goed is.

b. WW 4. Vo or be el d van een buizenkoel er ,met water als

koelmiddel.

25

80

20

Doel is afkoeling van het

reaktor-mengsel van 80 - 30°

o.

173 112 pijpen 112 '-"'" 1;5'

=

~ ~ 2 passes. 50.400 L/uur. (dan Re» 10 . 000 ) 30

=

27 gem 70 kcal/sec

=

293 KW. A =

~w

=

293.103 = 13,6 m2

U

b.T 800.27 70 =

: ï

= 14 L/sec. = = 173 m, 50.400

=

800

=

63 HOeveelheid koelwater Totale lengte

=

6:0~85

Aantal.pijpen per pass

Lengte 1 pijp

=

1,5 m.

Nodig zijn dus en dus ê t₁ = L)t 2

=

II

=

~w =

>

Het aantal pijpen wor d t dan 2 x 63 = 126.

" " s h e l l passes (schotten) =

f'.

Afmetingen van deze buizenkoeler :

D1

=

m.t t = 1,4D =1,4.32 = 45 mm voor 126 pijpen is m = 11,9. ~ _{D1 =11,9.}45 = 535 mm 2.t pijp = 32 mm 2.y

=

1,5 t

=

67 mm 2 passes = 20 mm D = 654 mm

Q

ei)

I . . I

'<

te

=;J

I I •

<,..,

- ---'--

.,,>

I

I~

.,J

y 4r~( iI

.

, t.

rx-Î

/

~

-:::

-I::

.J.'; " ," I ' l. ._ ~__ ;,,"-.

.

.

;...:~ . ..1. 1. ..'-~

c

c

.I:::i(J !~'--. c c, ,. ..., ..I \.) . t '.. '.. \ ' . ! '. r -'" ..I ••_'. . . .it: , ~~~ ... i.JU: ' '.~. .' ; f.! . - 0,) ., .I,' . -s( ,

.

( _. (1; : ."~ .'.I (~ . ,-' " ~, , ,. .., 0, \.

.

.•.:i .L '

..

38

Lengte 1 P1JP was 1,5 m.

Dan zlJn de afmetingen van de koeler:

1,5 x 0,65 m

c.WW5. Voor b e el d van een buizenkoeler met freon als koel-middel.

ij; , , -I ---~--4

Doel is koeling van het absorptievat.

Het va t is te klein om er koelspiralen in aan te brengen. Wij tappen onder aan het va t vl oe i s t of af,en voer en dit via een freonkoeler bovenin weer terug.

Hoeveel(x kg/sec)

moeten we rond pom-pen,zodat het meng-sel met 200 C naar-de extraktie kan gaan? We koelen de rond-gepompte vloeistof van 20 tot 50 C.

Ç

/~

I

-

-

-, /

!

!

c"~r1

L

_r

fJ

=-0

-

~I, I ;I ; \ \

~A

t

-f

ret11

.-i . / _/

"""--

-;~ 0

Afgevoerd moet worden

6

3

kcal/sec Zouden we geen warmte afvoeren dan het mengsel stijgen. T vol g t uit

~m·CP.(T - 20)

=

~W·

2. 0,7(T - 20) = 63

--~>~ T

=

650 C.

(zie Absorptie pag. IS)

zou de .:t empe r a tuur van

17.300 L/uur. -264.103 = 48 m.2 A

=

500.1,1 =

=

afgestane warmte 2 (65 - 20 ~,,-r: x

=

6 kg/sec 6

1,253

=

4, 8 L/sec

=

= 264 KW 63 kcal/sec 500

~O

)

b

T

l og gem = 11 Opgenomen warmte x (20 - 5 )_..-_0-,7 = :> ~W =

u.

= Lt _{1 =} At ₌ 2

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

39

Wi j nemen pajpen me t een _D1 = 16 mm ( D. = 23 mm).

Door een pijp me t Di = 25 mm moet 700 L/uur gaan wil

Re » 10.000 zijn.

Is Di 16 mm dan moet er doorheen gaan:

0,0201 • 100 = 286 L/uur.

0,0492

Totale lengte pijpen

=

61

48

°

,0503

Van

een pijp van 3 m.)= 2,5 m,

de kokende vloeistof staat dan

17.300 286

384 i.-/'"'\ 7

b f '---- •

Aantal passes

stel effectie ve lengte

(D.w.z. het niveau van

2,5 m, hoog).

Aantal pijpen per pass

•

doel volgt al uit de

el. = 16l "T - 16 = 16) 0 log gen -= 1000

=

343 kcaljsec=1440KW 3 A= 1440.10 = 90 m2 10

3.16

nemn pijpen met D_1=25n

= 1150 m.

=

13. Reb o i l er van de 2e dest. kolom

-

_I~

lP

~

~84 Het -, tit

-

-.

stoom

rif

/

-"

q

r: I ~ b_{t 1} ', : . ,.'/ / /: / /I:, i ,' T. '=200 "-_. / '0 , .' ' . lit 2 ....

-.

'. _ll1L '.-,

tL

= 200 _$Dw Î

'"

Ii\ ~ 184 We Totale lengte ~_v

=

v F 90 0,;r85

stel effectieve lengte van één P1JP = 2,5 m.

Het aantal pijpen is dan

~

= 460.

G was 1,33 m3/ s ec . '

Per pijp moet dus doorstromen 1,33 = 2,9.10-3 m3/sec.

~ 46°_3

---.,;~.., v =

-2

= 2 ,9. 10 -2

=

5, 9 mise c •

F 0,0 492 . 10

Tuit

d. WW

Ter voorkoming van plaatselijke oververhitting brengen

,.. • !:'; ••t .t _(, .) .'.. :

.

l.

I

I I r-I ~

H CD H CD 0 CD ~ I lil ~ I

CD eo CD '0 0 -f.3 -n -n CD CD r-I

> ~ >'0 • IlO 'd P. lil P. r-I

al -n S '

..

s:: J:: Ol Ol -r;) _{CD ~}

CH H CHEl CD ' C\J CD -n S al -n ..t:l Q)

0 Ol o Ol ~ IlO, _~ El _~ r-I ~ H P. P.0l Ol IlO

~ IlO 0 IlO .!ol C\J El Q) s:: Ol J:: El

.. s::0 .. S::

.

': _~

El Q) r-I -f.3-n r-I r-Ial .r-I Ol~ -n _{bijzonderhed n}

I -n l - n J:: IlO! J:: s:: r-I al CD al alP. . al Q), _{-f.3 s::}

• r-IEl r-IEl -n o i J:: J:: -n ' -n al S .-f.3 Sr-I ' -f.3 . -f.3 -f.3 Ol! Q)-n

0 CD H CD H r-I J -n -n -f.3 s:: al al ~ ~ H ~ lil; El :z- O al s:: o al :- E-i ' -n ::s o ~ al ~ -n al al CD '. al al' e;,~ j ; al l=1J.

.!ol:--n .!<l :- '&.. <l _;~ P < ~ !=l -f.3-n al CD 'OH al al P.

; 2 1 20-80 stoom v , 1206 ₅₄ 600 6,5 ,25 32 53 :31 0,55 '; 1,6 x 0,55 A mantel

...

2,36 m I 110 oe

_I

I A_{spiraal= 6,5-2,36=4,14}

I

I 2 80-80 water v. !40,9 ₄₉ 600 1,4 25 32 18 ;11 _0,55

..

_{1,6 x 0,55}

-

_j

20-40

_!

I

I

3 80-80 water v , \17 , 3 49 600 0,59 25 32 7,5 5 '0 , 55 1,6 x 0,55 20-40

I

j 4 80-30 water v.1293 27 800 ~1 3 ,6 .25 32 173 2 63 5 1,5 x 0,65 20-25 I 1 \48 5 30-20 _{Freon v·126}4 11 500 :' 16 ₂₃ 960 7 61 3 x 0,8

o

oe _{, I} I :13

I

6 20-130 stoom vel161 60 800 3,35 6 178 1 60 3 x 0,2 schermplaat aanbrengen

I

150 oe I • I I 7

i

168- 168 stoom v e)126 58 1000 2,07 ;25 :32 28 .20 :0 , 45 0,7 x 0,45 1I I 110 oe

!

I 1 , _{vel117 62 ;16} 1 8 , 98-98 jwa t er 2000 0,95 ;23 19 2 8 1,5 x 0,2 i I, _{120- 50 I}

I

t

i

I ,I 1 ₉

,

98-25 water Vel 9,2 26 1600 0,44 :16 23 4,3 1 5

..

1 x 0,12 I ~ 20-25 I ~ I

I

i Î 10 1140- 175 stoom v.!43,6 39 800 1,4 6 ;13 ₇₄ ;

..

1 ₃₇ 2 x 0,15 schermplaat

l

!_{1 p~oo oe ;} '." . , !

I

11 1171- 171 lwa t er v , \1440 {135 600 '16 , 2 _?5 ~ 32 207 ;

-3 52 1,5 x 0,7 e Î i20- 50

I

i ~. f

i

'

i , f _, ;

I

'-! ! Is t oom v , I 16 1000 90 32 1150 1 460 1 ,1 schermplaat 13 1184- 184 el1440 25 3 x

I

1J200 oe

I

, 14

!

_{184-20 !Fr e on v ,}

_!

_{92 74 500 2,5} 6 13 133 5 23 1,5 x 0,25

o

oe ~ I I ,_I I

.

I l

' ) -~, . , '0' 1'--j .\ ! I " 1 ,-I

I

.r. I I i 1 I

I

') " ~\'

I

I 1 ,-' ,.l

4.

Vervolg warmte wisselaars.

ww

1 verwarmt de koud in de 1e reaktor ingevoerde

grondstof~en tot 8000.

WW2 voer t de reaktiewarmte in de 2e reaktor af.

WW3

,

,

, ,

,

,

_{" " 3e}

,

,

,

,

.

WW4 koelt het reaktiemengsel uit de 3e reaktor van

80 tot 300

c,

WW5

koelt het reaktiemagsel van het absorptievat.

WW6 ver wa r mt de voe d i ng van de 1e dest.kolom voor van

20 tot 1300

c.

condenseert de damp van de 1e dest.kolom.

levert de verdampingswarmte voor de 1e dest.kolom.

verwarmt de voeding va n de 2e dest.kolom voor van

van. 140 to t 1750

o.

,

,

koelt het destillaat van de 1e

ww

7

ww8

WW9

WW 10

WW 11 condenseert de damp van de 2e dest.kolom.

ww

12 koelt het destillaat " " 2e

tot 25°0.

, ,

" van 171

ww

13

WW 14

le~ert de ver damp i ngs war mt e voor de 2e dest.kolom.

koelt het ketelprodukt van de 2e dest.kolom van

.

~ ..

. ' , ~

, e

• t

VI I . Pompen en konstruktiematerialen. 42

(/

I No.pomp. 1 2 3 4 5 6

-

---Kapaciteit _{150 400 50 100 250 80} iru L/min. Op voer-5 5 5 15 5 5 hoogte in. m, _· ~.._w I Type L 1 ,5 L 2,5 L 0 _{L 1 ,5}

I

L 2 L 0 n=toeren/ _{1625 1215 2600} 2645

I

1300 2825 min. Ver mogen _{0,33 0,7 0,25 0, 98 0,4 0,34} i n P.K.

Aandr i j:Ving riem riem riem riem riem direct

~ zuigbuis 40 65 25 40 50

25

in mm. fiS pompbuis ₂₅₀ 330 170 250 280 170 in mm, 1-

-Materiaal staal S3taal staal staal staal

silicium-gietstaalI

-.

:.. i.

i

'.c'

, ,

Pomp 1 Pomp 2 Pomp

3

Pomp 4 Pomp 5 Pomp 6

43

pompt het reaktiemengsel uit de reaktoren in WW 4.

pompt het mengsel uit het absorptievat door WW

5.

" _{extrakt E1} in de 1e dest.kolom.

" "het ketàprodukt van de 'e kolom in

.QQ rQ"bgMep \aR de 2e kolom.

pompt het ketelprodukt van de 2e kolom in de

reboiler van de 2e kolom.

: pompt het aangezuurde raffinaat in de roterende fil ter.

Konstruktiematerialen.

De reaktoren,het absorptievat en de destillatiekolomme~

worden uitgevoerd in staal.

~

-Het raftinaat wordt aangezuurd in een vat van

VIII Gegevens uit literatuur en encyclopedie~n. ..4i4 I ~p in ! comp imol.gew. _{Re in} Cp in

t

in

Kpt !

kcal/ kcal6' kcal/ kg/m3 i

kmo1 kg C kmoloC

(lit.2) (lit.,1,3) (lit.3) (lit.1)

FF 96 - 560,3 0,416 40,8 1160 NaOl~: 40 0,4 16

lR2

0 18 1 18 1000 FFA 9'8 - 609 0,482 + 47,2 + 1134 170° C -4 -2 9,3.10 T 9,12.10 T ANf 93,1 0,495 + 46,1

+

1022 184,4 - 4 -2 4, 2 . 10 T 3,9 1.10 T NAFCZ 134 0,35 46,9 NFCZ 112 - 488,1 NaA 201,07 NaHS0₃ 104,01 Na2S03 126,07 I!F2S03 82,07 S02 64,07 NaCl 58,47 HCl 36,47 VERDAMPINGSWARMTEN. I

0° C r in kcal/kg (lit.4,6) _{~ in kcal/kmol}

r FFA rü r][

°

H H H 2 vFFA vAN _vB2

°

98 130 110 540 1,28.104 1,03.104-4 9,7.103 168

}

J

104 480

}

1

9 , 8 , 103 8,64.103 111 110 1,08.104 18;4

.J J' . t ' ..... i • -. f c( e;j - ,-I ( . L: i ( •.. \.' ,,. .I ,;r· f -•\. • t' '-f

.

",. oi. r-.' '"'\ I ;. (. r· I'

45 Overige gegevens :

Kz

H2S03 -2

=

1,7.10 K = 5.10-6 ZHSO f' 25° C 3 ~CZ 3E = 7,1.10-4 KA 3E = 7,2.10-4

Oplosbaarheid HFCZ : 4 g/100 rol in water van 20°

I

3

°

" S02 1 ,34 kmol m " " ,,20

Neutralisatiewarmte 13.700 kcal/kmol (lit.5)

Reaktiewarmte additie van S02 ~

aan furfural 7900 kc al/kmo1 gevormd complex.

C (lit.1)

C

Grafieken no.1,2,3B.

In reaktor werken met 22% NaOH.

T

=

80° C.

p

=

1 atm.

RL

= -

KL

w

F

2

WL gmol/kg min (3e orde reaktie)

KL=

6.10-2 kg2/gmo12 min.

o

1200 kg/m3

l reaktiemengsel

=

Cp "

=

0,7 kcal/kg.

De additie van S02 vindt plaats bij pH

=

6.

De met een 3E teken aangeduide gegevens werden verstrekt

door Ir.N.van Klaveren,Laboratorium voor Chemische en

i .'

c..'

-1

I

46 ~ Literatuur. 1. Dunlop,Ap.,and Peters,F.N. The furans. 1953. 2. Landrieu,A.L. ,c.s. Bull.Soc.Chim., 45,36 (1929). 3. J.Am.Chem.Soc., 72, 5175 (1950). 4. Ind.Eng.Chem., 11,791,1022 (1959)

(Nomogrammen ter bepaling van verdampingswarmten). 5. Creighton,JI.J. Principles of electrochemistry. Vol . I , 366. '-6. Ind.Eng.Chem., 44,2732 (1952). 7. Fieser,L.F.,and_ .-. _. _ . ••• • _ ... • . •A.. M. F i es er . Organic Chemistry. 1956, 201. 8. Kramers,H.,and Westerterp,K.R.

Elements of chemical reactor design and operation. 9. Westerterp,K.R.

Het specifieke grensvl ak in geroerde gas- vloeistof-reaktoren.

Dissertatie Delft.1962,56,57. 10. Saeys,FI~W.

Industri~le vloeistoffilters.

,

.

.

.

, .\) t • t •

.

._..,:.- " t • ("

-

I

/2. // . lIJ 'IK ·OJ ! _ i N::· . i :1': .-i: I I ':'T:' :.::,:_.: _:::' .: .... .r: ',··.·r':. J . . , . I

- -I ~:~~': =:' :,-+~~Y I ..

i

,:l

:;:!:~ri'-

='

:.

T,.\

"~~:I~ ::~I: :

':,.:

: Î: :, :i,c' K :: t , .. 1: " " -:i· .: ::,.:':1::::1 : : ! " 1 : .• : :' .: :1: . ::' ."- ,- .

. IJl