Verslag behorende bij het processchema: Het bereiden van crotonaldehyde uit aceetaldehyde

adres:

Verslag behorende bij het processchema

van

... J ... F ... BUll ... .

onderwerp:

... HEI ... .B.KREIDEH. .. VAK .. CRo.l'.o.N.ALD1,lJ:rDE ...

... Ull1 ... 1tc.~:mTALD"':IIiDE. ... _ ... .

Hugo de Grootstraat 58

~ELF~'

datum:

, ' j' .• :.r " INHOUD I. Inleiding 11. Mogelijke Bereidingswijzen 111. Plaats van de Fabriek

IV. Het uit te voeren Proces V. Massabalans

VI. Warmtebalans VII. Apparatuur

VIII. Materialen waarvan de verschillende apparaten geconstrueerd moeten worden

IX.

Literatuur 0000000000 1 3 5 6 8 9 10

32

33 .;" ..

-Bereiding van Crotonaldehyde uit Aceetaldehyde I Inleiding

Crotonaldehyde als zodanig is geen eindprodukt. Het vindt in de organisch-chemische industrie toepassing om er andere produkten uit te bereiden.

Zo wordt bijvoorbeeld 30.000.000 kg crotonaldehyde per jaar omgezet in butylalcohol( 1)

Door oxiu.atie in de dampfase wordt crotonaldehyde 'gemakkelijk omgezet in maleïnezuur-anhjdride.

Daar het een aldehyde is kan het ook gebruikt worden voor de fabricage van fenol-aldehyde harsen(1).

Het crotonaldehyde kan ook onder gewenste omstéJ.ndigheden polymeriseren tot een dimeer:

Ook een trimeer is bekend.

Ver~er vindt het produkt toepassing voor de bereiding

van butyra...Ldehydes, butjlchloraalhydraat en quinaldine. Deze laatste stof is het beginproduct van quinolmne-geel en andere kleurstoffen.

VerderR is het mogelijk een reductie uit te voeren 70nder de dubbele band aan te tasten. Het ontstane produkt is

crotjlalcohol. Dit kan worden uitgevoerd overAl-isopropjlaat of .over LiA lhjdride . ,

VerJer kan de dubbele binding worden gechloreerd of gebromeerd Volgens U.S. Patent 2.408.127 kan crotonaldehide met zichzelf

in tegenwoordigheid van geschikte katé;..lJ~atoren condenseren. Dit geeft onverzadigde àldehjdan van 8 of meer C-atomen zoals

,"'\

t

Volgens U.S. Patent

1.944.731

ondergaat crotonaldehyde met de diënen zoals bijvoorbeeld

1,3

butadiëen de Diels Alder reactie: C

Hl..

-+

c \-{

2. .,.- C

H

S

Joh

eH

! I

/-f

C -

c: '-..

J-t

C

HJ

--=---..;=-,;::a.;. 1₁

_,c.

He.",

c

_(..H

C}-/O

c

J../

,,~ ~l 0

H"2-Interessant is dat een uitermate kleine concentratie croton-aldehyde bijvoorbeeld in lucht voldoende is om een· slapend persoon wakker te doen worden.

Fabrieken van dit produkt bevinden zich o.a. in de

Verinigde staten van Amerika en in de Duitse Bondsrepubliek. De vraag naar diverse produkten die uit crotonaldehyde gemaakt kunnen worden is niet zo heel erg groot. De betrokken bedrijven hebben daarom niet zo'n grote omvang. De grootste fabriek in de Bondsrepubliek fabriceert 2000 ton crotonaldehyde per

maand. De capaciteit van de in dit ~erslagvbeschrev.en fabriek bedraagt ongeveer 10.ÖÖÖ ton per jaar.

1'\

;:

.1,

11 MogeliJke Bereidingswijzen

1. Uit aceetaldehjde met water in een verhouding van 1:3 onder een druk van 30 atm en een temperatuur van 1600

c.

De reactie verloopt in, de vloeistoffase. Na' een contacttijd van twee uur wordeh de reactieprodulden (aceetaldehjde, water en crotonaldehjde) gekoeld, de druk wordt teruggebracht tot 1 atmosfeer, waarna door destillatie en extractie het zuivere crotonaldehyde wordt verkregen(British Patent 537.672) en (1). 2. Volgens U.S. Patent 2.810.760 wordt over een katalysator die voor 95 10 uit MgO en voor ongeveer 510 uit een mengsel van tantalumtetroxide en tantalumpentoxide bestaat, aceetaldehyde geleid, dat gemengd is met water en stikstof en wel zodanig dat de molverhouding water aceetaldehJ'de 2,5 : 1 is. De temperatuur in de reactor is 4000C en de druk is iets "hoger dan atmosferisch. Het aceetaldeh.jde wordt op deze wijze slechti gedeeltelijk omgezet in crotona~dehyde.

3. Volgens U.S. Patent 2.096.637 wordt een mengsel v&n

gelijke gewichtshoeveelhden aceetaldehjde en water afgekoeld

o '

tot 5 C. Daarna wordt langzaam voldoende alkalitoegevoegd. Daar de omzetting van aceetaldehJde in àceetaldol exotherm

is zal de temperatuur stijgen. De reactie d~urt enkele ur~n. Daarna wordt geneutraliseerd met fOÊforzuur waarna het croton-aldehyde ontstaat.

4. Uit handels ruw aldol, wat verkregen kan worden door condensatie van aceetaldehjde in een alkalisch milieu (U.S. Patent 1.585.096 en U.S. Patent 1.587.661)

Dit aldol wordt langzaam toegevoegd aan een verdunde oplossing van H

2S04, HC1, H3P04 of RAc dat op het kookpunt wordt

gehouden. Het aldol wordt onmiddellijk ontleed in crotonaldehyde en water. Het bevat zeer veelonzuiverhedenbijvoorbeeld een

zekere hoeveelheid teer en andere hoogkokende verontreinigingen.(~

5. Volgens British Patent 757.812 wordt aceetaldehyde gebracht in een reactor, met een stoomman±-el. De katJ 18.sb.tor besta~:;,t UNit een waterige oplossing van morfoline en fosforzuur.

,

~

De reactor wordt in 20 minuten opgewarmd van 40 tot 110°C bij een maximum druk van 5 atm. De reactie produkten worden daarna gekoeld tot

oOe

en daarna wordt een waterige oplossing van fosforzuur toegevoegd. In het ontstane reactiemengsel bevindt zich een belangrijke hoeveelheid crotonaldehyde. In de laatste drie processen die alle~ tweetraps processen zijn is nog een groot aantal variaties mogelijk voor wat betreft de hoeveelhden zuur en loog, de reactie temperatuur--en de reactiedruk.

De voorkeur gaat uit naar het eerste proces omdat het een eentrapsproces is waarbij bovendien niet zoveel gecontroleerd moet worden en waarbij geen katalysator nodig is.

r,

111 Plaats van de Fabriek

Bij het bepalen van de plaats v~ een ~abriek moet rekening gehouden worden met de volgende drie factoren:

a. toevoer van grondstoffen b. toe- en afvoer v~n energi~ c. afvoer van produkten

Het Noorden van ons' land zou geEien deze drie factoren een ideale plaats zijn voor een crotonaldeh.lde fabriek. Immers de laatste tijd zijn in dit gedeelte van ons land zeer grote hoeveelheden aardgas ontdekt. Dit aardgas bestaat voor een ,belangrijk gedeelte namelijk meer dan 80

%

uit methaan. Uit

dit methaan kan met behulp van het vlamboogproces acetyleen gemaakt worden:

Reactietemperatuur gas in de vlamboog is 160000. Na de vlam-boog met waterquench de temperatuur op 1500C brengen. Het gekoelde gas comprimeren tot ca. 20 atm en C2H2 uitwassen met water.

Uit dit acetJleen kan aceetaldehyde (de grondstof voor het procés) gemaakt worden:

CI-4

==

eH

+

HOH

Hier zlJn ook mogelijkheden aanwezig voor de energievoorziening. Het produkt crotonaldehyde zal in deze omgeving ook gebruikt kunnen worden als grondstof voor andere chemische produkt en. Dit levert een besparillllg op voor de transportkosten.

·Jr

IV Het uit te voeren Procesill

De uitgangsprodukten aceetaldehyde en water(aceetaldehyde lost zeer goed op in water) worden met behulp van een voor-verwarmer op 160°0 gebracht ~ Met behulp van een plunj erpomp

..

worden ze in een reactor gebracht. In de reactor bevindt zich stikstof va~l 30 atm. Doordat het reactiemengsel in de reactor wordt gepompt7wordt de stikstof uit de reactor gedrukt en

wel zodanig dat de druk in de reactor 30 atm. blijft. Als de reactie heeft plaats gevonden worden de reactie produkten door

een koe~er geleid en afgekoeld tot 60°0. Vervolgens wordt de

druk teruggebracht tot één atm. Het re&ctiemengsel(aceetaldehyde crotonaldehyde en water) wordt dan in een destillatiekolom

geleid waarin het aceetaldehyde wordt overgedestilleerd en vervolgens gerecirculeerd. Het ketelprodukt(crotonaldehyde en water) heeft een temperatuur van 840C, want deze beide sEoffen vormen een azeotroop, die bij 840C kookt. Dit mengsel

wordt vervo~gens afgekoeld tot 20°0 en daarna in een extractie-kolom geleid en geëxtraheerd met xyleen. Het crotonaldehyde wordt zodoende uit het water geëxtraheerd. De extractie

geschiedt in een gepakte kolom en het principe is tegenstroom extractie. Het mengsel van xyleen en crotonaldehyde wordt vervolgens opgewarmd tot 124°0 en in een destillatiekolom geleid, waarin de beide produkten worden gescheiden.

g~!_~~~~!~~~~~g~g~ê~~_t11Lt21

Twee moleculen aceetaldehyde reag'eren met elkaar tot aceetaldol, waarna door waterafsplitsing van aceetaldol, crotonaldehyde gevormd wordt:

(±)

(;)

- 0

H1-

0

+

C

H.,

c..

-;:) (.. ...-1-1 H f.l2. -::. (:) - - - r )

C

H2- -

C - c. -

e ...

H

...,} OG (e.\

eH

el-I

~ J ~ <:)

... C

11 ,... J..{ 1-1 ~ 0

+-

H.,

0

~ _ _ _ - : r JÓ'fè - "-

=

C - C ... H '"

Een mol H20 vervult hier de functie van katalysator. Het wordt in de reactie (a) opgenomen en in reactie (c) ontstaat het weer. Het neemt dus niet deel aan de reactie.

V Massabalans stroomnummer Aceet-aldehyde kg/h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13 14 15 2940 2940 2940 1293,6 5174,4 3880 1293,6 Water kg/h 8820 8820 8820 9156,6 9156,6 9156,6 ~~!~g~_Qy~~_~~_g~~~!~_f~~~!~~ Toegevoerd Aceetaldehyde 2940 water 8820 Croton aldehJde kg/h 1309 1309 1243,9 1~_ 12,43 65,1 4926,0 3694,5 1231,5 Afgevoerd crotonaldehyde

,

,

, ,

aceetaldehyde water

De fabriek werkt 8000 uur per jaar.

Xyleen kg/h 8063 8063 1231,5 12,4 65,1 1293,6 9156,6 llb~~:!'~

\

VI Warmtebalans

stro omnummer Warmteinhoud stroomnummer Warm~e inhoud

toevoerstroom afvoerstroom ---~---~

4b

3622

lrfl

4a

296

kW

7a

597,7

5a

2113

10a

890,4

6a

823,3

11 a

388,2

7b

745,6

9a

205,8

14a

707,3

15a

60,2

11 b

_497,5

11 c

_94,7

15

18,95

~bQ~~l _~d~~~~~=

Het verschil tussen de toegevoerde warmtestroom en de afgevoerde warmtestroom is te verklaren uit het feit dat de oplossingswarmte, en de warmte die vrijkomt bij de extractie verwaarloosd zijn.

."

VII De Apparatuur

1. :g~!_~~ggYê:~

2.

Hierinwmrden de reactieprodukten aceetaldehyde en water bij elkaargevoegd. Het aceetaldehyde lost zeer goed op in water.

De diameter van de tank is 2,5 m, de lengte ervro5m. De inhoud is derhalve 25 m3 •

Het overgedestilleErde aceetaldehyde wordt na de

c~densatie

en de verdamping hierin opnieuw gerecirculeerd.

~~~j~EE~~E

Er moet verpompt worden een hoeveelheid van 17640 liter per uur, dit is 294 l/min. Het·aantal toeren is 100

294

I

dus 100.2 = 1,47 1 slag = 1470 cc. 1 2 dus "Jr.

'i+

x 1 = 1470 4 dus 1= 19,57 cm = 20 cm 1 dus 1₁= 1 + ~ = 20 + 10 = 30 cm

We gebruiken een plunjerpomp, omdat de vloeistof onder druk gebracht moet worden.

3.

Y2~EY~E!§E~~E_!

Het aceetaldehyde en het w~ter moet op een temperatuur gebracht worden van 16000. Dit gebeurt met een voorver-warmer.

Het verwarmen gebeurt met Dowtherm E van 190°0.

Er moet een hoeveelheid warmte worden toegevoerd van 3622 kW/h

Berekening van het benodigde oppervlak!

Ow

A

=

U .~t A = oppervlak ~ - warmte stroom 'Jl w-U = warmteoverdrachtscoëffivient ót= logaritmisch temperatuurgemiddelde 3622000 A= 3000.s1 =

We brengen p~Jpen aan in Ode voorverwarmer en wel pijpen 25-32. We hebben nodig

0~67~5

= 190 m pijp.

0,0785 is het inwendig oppervlak van. de pijp per meter. We nemen de lengte van de p~~p 1,5 m.

dus aantal pijpen is

~:~

= 127

1 kt 19 2 2 dm2

190 m pijp hebben een opperv a e van 0.0,049 dm = 9,35 We hebben 17640 1 vloeistof per uur.

Als door een pijp 800 liRter vloeistof per uur stroomt, dan is Re) 10.000

17640

Dus we hebben ~90 = 22 pijpen per pass Aantal passes 1₂₂ = 6 passes

190 pijpen van 25-32 t=steek= 1,4.du = 1,4.32 = 45 mm D. = m.t m = 12,0 o~ D. = 12.45 = 540 mm ~ 2.V2 pijp= 32 2 x steek = 90 6 passes =

_{- - -}

60 b~~~ We nemen D = 75 cm

Berekening van de benodigde Dowtherm E

~w = 3622000 w d.i. 3114000 kcal/ho

dus per sec 3114000 = 868 kcal/sec 3600

Hoeveelheid Dowtherm:

868 = 0,9221 kg/sec 237,2.3,968

237,2 x 3,968 = warmte inhoud van de Dowtherm damp.

Met de hoeveelheid Dowtherm kunnen we de diameter van de tuut uitrekenen, die de verbinding vormt tussen de voorverwarmer en de Dowtherm installatie.

We hebben n.l. 0,9221 x 0,06242 x 0,371 = 0,02136 m3/seoc 0,06242 x 0,371 = dichthei~ Dowtherm damp.

De snelheid van de Dowthermdamp mogen we 11 m/sec nemen.

Dus oppervlakte tuut doorsnede

= '

° 02136 11

=

2 dus

7ï

4d

=

0,001942 0,001942 m2 dus d= 5cm 4. De reactoren

,

\

We hebben drie reactoren, omdat de verblijf tijd twee uur .is dus langer dan een uur.

Eén reactor wo_dt met aceetaldehyde en water volgepompt. Dit reactiemengsel verblijft daarin twee uur en wordt

daarna afgetapt voor de scheiding. Ondertussen is er evenwel één der andere reactoren gevuld. De

verblijf-tijd hierin is ook twee uur, zo ook met de derde.

Door een dergelijke werkwijze is een zo effectief mogelijk gebruik van de andere apparaten mogelijk.

Inhoud reactor

=

vloeistofruimte + dampruimte Vloeistofruimte is 17,64 m3 is ca. 18m3

Dampruimte is V6 gedeelte, dus is 3m3 Dus inhoud reactor

=

18 +

3

=

21 m3 diameter reactor is 1,5 m

dus oppervlakte doorsnede is 1,76 m2 Inhoud is 21 m3

21

Lengte reactor is ----_{1,76 -}- 12 m Vloeistofhoogte is

1~:~~

=

10 m

De reactiewarmte berekend volgens de methode van

Van Krevelen en Ohermin (6) bedraagt 509600 kcal/2h dit is 592 kW/2h dus 296 kW/ho

De reactiewarmtewordt afgevoerd met water van 60°0 c ~ _ _ _ _ _ _ _

Berekening van het koelend oppervlak

~w

296000 2

A

=

u.~t

=

600.85

=

6 m Diameter is 1,5 m

'.

6

De hoogte van de koelmantel is 4,71

=

1,30 m

De koelmantel wordt verdeeld in drie sZukken, teneinde: a. Een effectievere warmteafvoer te krijgen

b. Roerders te kunnen aanbrengen.

Elk stuk heeft een hoogte van 1

₃

30

=

0,43 m Benodigde hoeveelheid water:

296000

4190.30 = 2,35 liter/sec per uur is dit: 3600.2,35 =8478 1

We gebruiken pijpen van 25-32 met een oppervlak van

0,0492 dm2• Door de pijpen stroomt 860 l/h dan is Re) 10000 Dus oppervlak doorsnede koelruimte is

~~6a8

xO,0492

dit is 0,5260 dm2

Dus de breedte van de koelmantel is

°4:~60

1,2 cm

In de reactoren worden roerders aangebracht teneinde een zo goed mogelijk contact tussen de reactieprodukten

te bevorderen.

5.

~~_~~~~~~2f~~~~~ I

~

~qv~, ~, .. i" j' ~

De reactie moet verlopen onder een druk van 30 atm. Om dit te bewerkstelligen wordt gebruik gemaakt van het inerte gas stikstof. De te gebruiken reactor wordt eerst volledig gevuld met stikstof, die afkomstig is uit een tank waar een druk heerst van 60 atm. De stikstofdruk

in de reactor wordt hiermee op 30 atm gebracht. ~ervolgens worden de reactie produkten in de reactor gepompt. De

_.

stikstof wordt uit de reactor gedrukt en naar een stikstof-tank geleid, die twee maal zo groot is als de eerste, dus waar een maximale druk heerst van 30 atm. De druk in de reactor wordt zodanig geregeld dat deze 30 atm blijft. De stikstof uit de grootste buffertank wordt met

behulp van een compressor weer haar een anderex tank gepompt en op 60 atm gebrach\ waarna de7e weer opnieuw gebruikt kan worden.

6. Koeler

Na de reactie in de reactor wordt het reaetiemengsel

gekoeld.van 160 tot 60°0 met behulp van koelwater, dat met een temperatuur van 20°0 in de koeler komt en deze met een temperatuur van 40°0 verlaat. De druk blijft 30 atm. De berekening van de grootte van de koeler geschiedt

op deze.lfde wijze als bij d.e voorverwar11!-er. De resultaten zijn:

Af te voeren hoeve~lheid warmte / ""'- ~ 'w.(~ Benodigd koeloppervlak

Benodigde hoeveelheid water We gebruiken }>i j pêfl yàn 25- 32

Lengte pijp

totale pijplengte Aantal pijpen

Aantal pijpen per pass Aantal passes Dit geeft D = 80 cm L

=

3 m

7.

Q!!:!!~E~!!Y~:!! 2113 kW 29 m2 9350 l/h 3 m 360 m 120 12 10

De druk wordt in het vat teruggebracht tot 1 atm. De temperatuur blijft 60°0. Het volume is teruggelopen tot

15371 1. We nemen aan 25 minûten verblijftijft in de tank, dan is de tankinhoud 15~71 = ca 6000 1.

We nemen aan dat de lengte van de tank tweemaal zo groot is als de diameter. Dit geeft D= 1,60 m en L = 3,20 m

8. ~B~ij_f

De vloeistof, die zich in bovenstaande tank heeft ont-spannen, wordt met behulp van een~in de eerste destillatiekolom gepompt.

We hebben 15371 l/h dit is

19~71

= 256 I/min We nemen hiervoor een centrifugaalpomp.

Begemann type L 2,5 maximaal 400 I/min

9. Destilàatiekolom I

?

In deze kolom wordt aceetaldehyde wat niet is omgezet, gescheiden van crotonaldehyde en water. Het was niet

mogelijk om de vloeistof op kooktemperatuur in te voeren,

~

daar

deze hoger kwam te liggen dan de kooktemperatuur van

de azeotroop van crotonaldeh~de en water. Daarom is de

o .

temperaEuur lager gekozen en wel

60 C.

Dit geeft tot gevolg dat de q-lijn in het y-xdiagram niet loodrecht op de x-as staat.

Berek~ing van de helling van de q-lijn

(7)

Totaal aantal molen

556,8

Aantal molen vloeistof

526,4

526,4

Dus q :

556,8 : 0,9454

Helling van de q-lijn is qq--r

:

_0,9454-1

0,9454 :

- 17,32

Berekening van het aantal theoretische schotels van de kolom. We gebruiken hiervoor een y-x diagram.

Op deze schotels zijn vloeistof en damp met elkaar in evehwicht. In de praktijk is dit niet ZQ. De

evenwichts-lijn berekenen met de vluchtigheid. Deze is gedefinieerd als Pit

x

A

PA is de dampspanning van component A x

A is de molfractie

A is in ons geval aceetaldehyde

De vluchtigheid van stof A ten ~pziCh~ van stof B, de relatieve vluchtigheid is cJ.. AB:

x~

X -P:s

Dit geldt altijd onafhankelijk van het opgaan van de wet van Raoult. Gaat de wet van Raoult wel op, wat we aanemen

d.. PA

dan geldt: AB- P B

Y A

XE

En verder ""AB = x A x YB -L 1-x oL.._AB

=

x x

1=y

Uitgewerkt: ~x y

=

1-x+d3(

We nemen verder aan dat uit de top van de destillatiekolom zuiver aceetaldehyde komt. Dit is in de praktijk niet

waar. Scheiding in de zuive're componenten is alleen

mogelijk bij een oneindig aantal schotels. Dit levert een kolom die oneindig lang is.

x

d = 0,99 dit is de eis aan het destillaat gesteld. 29

4

xf

=

556,8 = 0,05279 eis aan het residu xk =

°

Dit is in de praktijk ook niet waar, maar genomen vanwege het y-x diagram.

Om te kennen berekenen moeten we de dampspanningen kennen van aceetaldehyde en van crotonaldehyde en water.

Voor aceetaldehyde g~ldt:

log PA = 6,81089 - _{230 + 60} 992 Dit geeft Paceetaldehyde = 2456 mm

We onderstellen de tweede component geheel bestaande uit water. Pwater is dan 149,38 mm PA

d.

= -P- = 16,44 B

cJ...x

y= 1-x+eJ.. x

=

1-x+ 16,44x 16,44 x

=

1+15,44x 16,44x 0,99 x d = 0,99 hieruit volgt Y1=0,99 Uit bovenstaande vergelijking volgt x1

=

0,85

Y2 uitrekenen met behulp van de vergelijking voor de eerste

werklijn. x

R d

Yn+1

=

R + 1 xn + R + 1

We nemen R

=

3

In de praktijk bepalen economische motieven de waarde van R.

Y _{n+1 -}_

_3+1"

3

Y2

=

0,75x₁ + 0,25

di t geeft Y2

0,99

4

x2 weer met de -formule

De _{resultaten zijn: Y1}

₌

_0,99 Y2

=

0,89

Y3

=

0,51 Y

₄

=

0,29 Y5

=

°

,

26 i

t

=

=1 i' ~~r

I

<-~

X1

=

0,85 x 2

=

0,35 x

₃

=

0,06 x

₄

=

0,02

i

5

=

°

,

02 , ,

11

, i ~, [.

Uit het

y-x

diagram blijkt, dat er zes theoretische schotels nodig zijn. Het aantal theoretische schotels is niet gelijk aan het aantal praktische, want

a. Er is geen evenwicht tussen vloeistof en damp b. Schotel is geen ideaal menger

c. Er wordt altijd vloeistof met de damp meegesleurd.

(

Het aantal praktische schotels is daarom steeds grote dan het theoretiscÄe. We nemen tien praktische schotels.

De afstand tussen de schotels is vijftig cm. Dus de lengte van de kolom is 5 m.

Berekening top.

H0eveelheid damp over de top

~m

=

5174 kg damp 1 kmol is 22,4 nm3

moleculair gewicht is 44

f

_gas

=

2~~4

x

~~§

x';

=

1,84 gil of kgjm 3

p - _{1000 kg/m}3 (praktisch allemaal water) I vloeistof -\ J fll '"'\ Snelheid gas u

=

c

V

rg--

1 Bij schotelafstan 50 cm is c

=

0,055

y

1000 \ u

=

0,055 1,84 - 1 dus u

=

1,27 m/sec

De hoeveelheid damp is 5174 2820 m3/h, dit is 0,79 m3/sec

1,84 0 79 2

Oppervlakte kolomdoorsnede F= ~ = 0,622m 71'

_Lr

d2

₌

_62,2 dm2

d

=

90 cm Berekening bodem

Bodemproduct bestaat uit crotonaldehyde en water, verreweg de meeste hoeveelheid is water. Daarom stellen we dus alleBn water. Molgewicht

=

18

Gemiddelde verdampingswarmte

=

540 kcal/kg Dichtheid van de vloeistof

=

1000 kg/m

3

=

fl

.-.

Warmte die toegevo~rd moet worden. Q = 597,7 ~l = 513.000 kcal/h 18 . 273 . 1 . fgas = 22,4 x 357

:x:

T = 0,585 Dampstroom

5§1~(!)(!)

9,50 kca:i/h Snelheid gas u

=

0,055

i

~l

- 1 \ g u = 2,2~ m/sec Volumestroom 9,50.10 - 950 = 1630 m3/h

f

gas - 0,585 dit is 0,45 m3/sec opperv~akte kolómdoorsnede F = 0,45/2,27 = 0,190 m2

rr

d Dus 4 = 19,0 Dus d= 50 cm.

Het is goedkoper de diameter over de kolom gelijk te nemen We nemen dan d=90 cm.

10. Condensor I

Het aceetaldehJde dat uit de destillatiekolom komt wordt ggcondenseerd in deze condensor. Dit condenseren gebeurt met freonvloeistof, die dan overgaat in freondamp. We gebruiken freon vanwege de lage cond8nsatietemperatuur

namelijk 20oC. De freontemperatuur is + 10 oC. De ~erekening van de condensor gebeurt op de?elfde wij~e als bij de

koeler: De resultaten zijn: Benodigd koeloppervlak

Af te voeren hoe~eelheid warmte Hoeve.elheid freon

We gebruiken pijpen van 25-32 Lengte'pijp

Totale pijplengte

2,5m 1520 m

..

..

~

I

.

Aantal pijpen 608

Aantal pijpen per pass ₉

Aantal passes 69

Dit geeft D

₌

1,30 m L

=

3 m

De lengelse van de condensor wordt een halve meter langer geno~en, vanwege de dampruimte. (freondamp) Diameter van de tuut waardoor het aceetaldehsde in de condensor wordt geleid ~

=

32 cm.

Diameter van de tuut waardoor a.e~aceetaldehJde vloeistof de condensor verlaat is d

=

3

cm.

Diameter van de tuut waardoor de freondamp de condensor verlaat is d = 6 cm.

11. Reboiler I

In de reboiler bevindt zich crotonaldehyde en water. De temper~tuur is er 840C. Dit is namelijk de kook-temperatuur van de a7eotroop, ·die gevormd wordt door crotpnaldehJde en water en die bestaat uit ongeveer

~75 %

crotonaldehJde en 25

%

water. De bèrekening

verloopt weer op de bekende wij z.e. De resultaten 7ijn: Toe te voeren hoeveelheid warmte 597,7 kW

Benodigd koeloppervlak 48 m2

Vie gebruiken pijpen van 25-32

Totale lengte van de pijpen 612 m

Aantal rechte stukken pijp 306

Aantal passes 1

Dit geeft D

₌

87 cm (bunde~diameter) L

₌

2,50 m

T o8iiale D

₌

1 ,60 m

Benodigde hoeveelheid stoom 0,269 m3/sec Diameter tuut aan de reboil.er 17 cm

•

12. Tank

In deze tank wordt het aceetaldehyde geleid, wat niet is omge7.et.

13. ~2~E_~I I

Hiermee wordt het aceetaldeh~de vloeistof verpompt naar de verdamper. We gebruiken hiervoor een centrifugaalpomp

Maximaal 50 I/min, t,}"pe L.O. Begemann , 0,25 pk.n=2600 omw/min diameter 17 cm

Hoe~eelheid te verpompen aceetaldehyde 1293,6 kg dit is

28 I/min. 1 4. Y~!:9:~:E~!:

Het destillaat van de eerste destillatie kolom, dat bestaat uit aceetaldehjde wordt gerecirculeerd. Om dit

te kunnen doen moeten we eerst aceetaldehsde gaan verdampen, want we zijn uitgegaan van aceetaldehJde~bij 20 oC.

Benodigde hoeveelheid warmte 205,8 kW

De warmte toevoer geschiedt met stoom van 110°C We gebruiken pijpen van 25-32

Benodigd oppervlak Totale pijplengte Lengte pij pen'

(Gelijk aan de lengte van het verwarmingselement) Totaal aantal pijpen

Dit geeft D = 85 cm

L

=

2 m

1,5 m van L is gereserveerd voor dampruimte.

2

3,25 m 42 m 0,5 m

84

Benodigde hoeveelheid stoom 0,0768kg/sec

Diameter van de tuut waardoor het aceetaldehjdegas.de verdamper verlaat bedraagt 15 cm. De diameter van de

tuut waar~oor de stoom in het verwarmingselement wordt geleid bedraagt 10,4 cm

15. ~2~E_f.lf.

Hiermee wordt de vloeistof uit de reboiler van de eerste destillatiekolom naar een warmtewisselaar gepompt.

Capaciteit: 174,4 I/min

We gebruiken een centrifug~alpomp Begemann tjpe S2, O,§ pk n = 2275 omw/min, d = 290 mmo

16. !~~~~~!~~~~1~~~_!

Het crotonaldegyde an het water moeten nu gekoeld worden tot 2000, teneinde te kunnen extraheren met xyleen.

Dit koelen geschiedt met freon van + 1000.

De berekening verloopt weer op dezelfde wijze. De resultaten zijn:

Af te voeren hoeveelheid warmte Benodigd koeloppervlak

Benodigde hoeveelheid freon We gebruiken pijpen van 20-27

Totale pijplengte Pijplengte

Dus aantal pijpen

Aantal pijpen per pass Aantal passes

Lengte koeler

1,5

+

0,5

Diameter

We hebben bij de lengte van de koeler dus een extra vanwege de dampruimte voor de freon. Diameter afvoertuut freondamp

Diameter invoertuut freonvloeistof Diameter tuut invoer vloeistof Diameter :t.ûut afvoer vloeistof

Deze vloeistof is crotonaldehyde en water. 17. ~~~~~~~~~~212~ 745,6 37,8 4,47 600 1 ,5 400 21 19 2 1 0,5 m 17,3 1 , 1 3,52 3,52 kg/sec m m m m cm cm cm cm

Om een scheiding mogelijk te maken van crotonaldehyde en water moet een extra bewerking worden uitgevoerd, en wel een extractie. De reden hiervan is, dat crotonaldehjde en water een azeotroop vormen. Er wordt tegenstroom extractie toegepast in een gepakte kolom. Het eoctractiemiddel is xylGen. De temperatuur waarbij de extractie wordt uit-gevoerd is 2000. De extractiekolom wordt opgevuld met een half inch Raschig ringen, die een porositeit hebben van 0,64 (8).

·. ... • <\, I' ~A I '\ v\i.J' {2

/

Het verdient waarschijnlijk aanbeveling om in de extractie-kolom herverdelers aan te brengen op een afstand van

ongeveer 1,5 m. De vloeistof heeft namelijk de nèiging om langs de wand te gaan lopen.

Om de lengte van de extractiekolom te kunnen berekenen is het nodig dat we kunnen beschikken over een evenwichtslijn

en een werklijn in een y-x diagram. Uit deze combinatie kan namelijk het aantal theoretische schotels worden gevonden door de trapconstructie.

De werklijn, die recht is en onder een bepaalde .hoek met de x-as verloop wordt gevonden uit de eisen, die aan de extractie worden gesteld. We hebben namelijk gesteld dat 95

%

croton~ldehyde dit is 17,77 kmolovergaat in

xyleen. De eindconcentratie van het urotonaldehyde'in het xyleen is aangenomen (reden zie onder) en wel op

17770

1,94. We hebben dus 1,94 =aantal liters xyleen

Hoeveelheid xyleen is 9160 1 dit is 9160 • 0,88020 = 8063 kg xjleen.

Een evenwichtslijn van dit systeem heb ik niet kunnen vinden en deze is dus in zijn geh@l aangenomen. De

aangenomen waarde van 1,94 staat of valt natuurlijk ook met deze aanname.

Voor de evenwichtslijn is aangenomen: x 1 = 2,04 Y1 = 1 ,94 x2 = 1,68

l2

= 1 ,56 x 3 = 1 ,18 Y3 = 1,06 x4i

;.=

0,72 _Y4

₌

0,60 x 5':= 0,38 Y5 = 0,28 x6 ='0,14 Y6

=

0,04

~

~

~

~

r

r

We grafiek levert zes theoretische schotels op. We nemen 10 praktische schotels.

Dus de lengte van de kolom is 10.0,5

=

5m

Nu de diameter van de kolom(9). ~~ ~~ ~

I

Snelheid van de xyleen is 15,24 m/h

J

~~

S _ne lh "d _{el van lwater} {crotonaldehyde _lS " 7 _, 62 _m

Ih

.

Berekening onderste gedeelte.

Oppervlakte.van de doorsnede

=

hoeveelheid vloeistof/h snelheid

. 9160 2

Oppervlakte van de doorsnede

=

152,1

=

60 dm

Vermenigvuldigen met 1dm geeft 60 dm vrije inhoud, dit is slechts

1~6

gedeelte.

Dus de werkelijke diameter is te bereken uit de vergelijking

2

Berekening bovenste gedeelte.

Oppervlakte doorsnede

=

hoëveelheid vloestofjh snelheid

. 1 0465

76,,2

Oppervlakte doorsEede

=

137

dm2• Vermenigvuldigen met

1

dm geeft dus

137

dm

3

vrije inhoud. Dit is slechts 64

100 gedeèlte.

Dus de werkelijke diameter vergelijking

~~O

x

137

=

is weer te berekene~uit de 7T de. .

Lr

d

=

165 cm . ~

We maken de diametr van de gehele kolom 1,65m , want dit is goedkoper. ;, ... ;

De diameters van de tuten voor de in- en afvoer van de vloeistoffen zijn alle

3,5

cm.

In het water dat de extractiekolom verRaat bevindt zich een kleine hoeveelheid crotonaldehJde. Het verdient

waarschijnlijk aanbeveling om deze hoevelheid te recircu-leren, opdat de kleine hoeveelheid crotonaldehyde niet verloren gaat.

18. Y~~EY~E~~E~~E_I!

Het xyleen en het crotonaldehyde moeten nu nog gescheiden worden. Hiertoe worden ze in een destillatie kolom geleid. Vooraf moeten ze evenwel op kooktemperatuur gebracht

worden. Dit gesahiedt met een voorverwarmer. De warmte wordt toegevoerd met behulp van Dowtherm

E.

De berekening verloopt weer op dezelfde wijze. De resultaten worden: Toe te voeren hoeveelheid warmte

Benodigde hoeveelheid Dowtherm Benodigd oppervlak

We gebruiken pijpen van

25-32

Totale pijplengte Lengte pijp 890,4 kW

0,00395m3

jsec

29,7

ma

380 2 m m

Aantal pijpen

Aantal pijpen per pass Aantal passes

Dit geeft een D

=

90 cm Lengte voorverwarm~r

Diameter tuut invoer Dowtherm

19. ~~~~~!~~~~!2!2~_!! 190 14 13 2 m 2,5 cm Hierin vindt de scheiding plaats van crotonaldehyde en xJleen. De voeding wordt ingevoerd op kooktemperatuu.r. De q-lijn staat dan loodrecht op de x-as. De kook-temperatuur van de voeding wordt gevonden uit de betrekking xA.PA + _xB.PB

=

1

x

A en xB zijn de molfracties

PA en PB zijn de partiaalspanningen

Door het kiezen van PA bij een bep~alde temperatuur ligt ook PB vast bij die temperatuur. Wordt dan aan de ve~gelij­

king voldaan, dan is de betreffende temperatuur de kook-o

temperatuur. Zo werd gevonden dat 124 C de kooktemperatuur is van de voeding. De dampspanning van xyleen is bij

deze temperatuur 421,7 mmo Zij kon bereken~ worden met de volgende betrekking:

log P

= -

2830 _T - 5log T + 22.7480 (10) De dampspanning van crotonaldehyde bij die temperatuur

is 22.) 19 mmo Voor de berekening van de evenwichtslijn maken we weer gebruik van de reàatieve vluchtigheid.

PA

=

Y

=

B

2219

4,217

=

5,26

We nemen aan dat· 99

%

van het crotonaldehyde over-gedestilleerd kan worden, en dat dus 1% terecht komt in het ketelprodukt.

xd = 0,99 hieruit volgt dat Y1 = 0,99

We ondersteàlen vloeistof en damp ideaal, dan geldt de c/....x

formule: y

=

1-x+ax

Uit deze vergelijking volgt x1 • Y2 wordt daarna berekend met behulp van de eerste werklijn.

...

R 1

Y_n+1

=

R + 1 x_n + ~R--+~1-xd

R is weer "de terugvloeiverhouding en deze zen. De resultaten voor de

Y1

=

Y2

=

Y3

=

Y4

=

Y5

=

Y6

=

Y7

=

Y8

=

Verder is x_f

=

0,18 xk

=

0,01 0,99 0,96 0,87 0,67 0,46 0,36 0,32 0,31 evenwichts.lijn x₁

₌

0,95 x2

=

0,82 x 3

=

0,56 x 4

=

0,28 x.5

=

0,14 x6

=

0,10 x 7

=

0,09 x₈

₌

0,08 is weer drie worden:

Deze waarden worden alle uitgezet in een y-x diagram.

geko-Uit de Grafiek volgt dat we zeven theoretische schotels nodig hebbBn. We nemen 11 praktische. schotels aan.

Dus de lengte van de kolom is 11 x 0,5 = 5,5 m.

De berekening van de di~meter gaat op de~zelfde wijze als bij de eerste destillatiekolom. Het levert de volgende

resultaten: Voor de top: Snelheid gas Hoeveelheid damp Dppervlakte kolomdoorsnede Diameter kolom

Voor de' bodem:

Warmte die toegevoerd wordt Dampstroom

Snelheid gas

Oppervlakte kolomdoorsnede Diameter kolom

We nemen de diameter van de gehele 20. Condensor

Ir

kolom u= 1 ,08 m/sec 1 ,27 m3/sec 1 , 17 m 2 1 ,22 m 388,2 kW 0,352 m3/sec u= 0,923 m/sec 0,382 m 2 70 cm 1 ,22 m Hierin. wordt het crotonaldehy-de gecondenseerd bij een temperatuur van 1e4°C. Dit condenseren gebeurt met behulp van water, dat met een temperatuur van 200C in de

condensor komt, en deze met een temperatuur van 600C

verlaat. De berekening verloopt weer op de bekende wijze. Dit geeft de volgende resultaten:

Af te voeren hoeveelheid warmte Benodigde hoeveelheid koelwater Benodigd koeloppervlak

We gebruiken pijpen van 25-32 Totale pijplengt~

Lengte pijp Aantal pijpen

Aantal pijpen per pas~ Aantal passes

Diameter condensor wordt Lengte condensor 707 3,97 I/sec 19 m2 242 . m 1 ,5 m 160 18 9 80 cm 1 ,5 m

..

21 .

Diameter invoertuut crotonaldehjde gas

Diameter afvoertuut crotonaldehyde vloeistof

26 cm 2,6 cm Diameter in- en afvoertuut ~oelwater 4,1 cm RebIbiler 11

---Hierin bevindt zich het xyleen en een beetje croton-aldehyde namelijk

1%.

De benodigde hoeveelheid warmte wordt toegevoerd met stoom van 170oC. Dit xyleen wordt weer gebruikt voor de extractie. Het wordt daarom

gerecirculeerd naar de extractiekolom(na eerst afge-koeld te ~ijn tot 20 o

C).

De berekeningen verlopen weer op de bekende wijze, dit levert de

Toe te voeren hoeveelheid w~rmte

Benodigde hoeveelheid stoom Benodigd oppervlak

We gebruiken pijpen van 25-32

Totale pijplengte Lengte pijp

Aantal rechte stukken Aantal passes

BundeldiL.meter Lengte reboiler

Diameter invoertuut stoom Diameter afvoertuum xyleen

vo~gende resultaten: 3a8,2 kW 0,0339 m3/s'ec

59

m2 750 2 375 1 1 ,10 2,50 7 3 m m m m cm cm Diameter tuut die de verbinding vormt tuàsen de reboiler

en de destillatiekolom is 30 cm.

22. Warmtewisselaar 11

---Hierin word't het produkt crotonaldehJde afgekoeld tot

40oC. Dit gebeurt met koelwater, dat met een temperatuur van 200C in de warmtewisselaar komt en deze met een

o

temperatuur v~ 30 C verlaat. De berekeningen verlopen weer op de bekende wijze, dit levert de volgende

resultaten:

Af te voeren hoeveelheid warmte Benodigde hoeveelheid koelwater Benodigd oppervlak

We gebruiken pijpen van 20-27

Tot~le pijplengte 60,2 5180 2,40 38 kW l/h 2 m m

-,

..

Ol

Pijplengte Aantal pij pen

Aantal pijpen per pass Aantal passes

Diameter wordt Lengte wordt

Diameter in- en afvoertuut koelwater

Diameter in- en afvoertuut crotonaldehyde 23. !~E~~~!~~~~~~~E_!!I 1 38 3 13 m 46· cm 1 m 2,5 cm 1,3 cm

Hierin wordt het xyleen afgekoeld van 144°C naar 40°C met koelwater, dat de warmtewisselaar binnenkomt met een

temperatuur van 20°C en deze verlaat met een temperatuur

. °

van 60 C. De berekeningen verlopen weer op de bekende wijze, dit levert de volgende resultaten:

Af te voeren hoeveelheid warmte Benodigde hoeveelheid koelwater Benodigd koeloppervlak

We nemen pijpen van 25-32 Totale pijplengte

Lengte van de pijp Aantal pij pen

Aantal pijpen per pass Aamual passes

Diameter warmtewisselaar Lengte warmtewisselaar

Diameter in- en afvoertuut koelwater Diameter in- en afvoertuut xyleen

24 !~E~~~!~~~~~~~E_!Y 497,5 10700 29,3 253 kXI l/h 2 m m 1

,5

m 169 . 11 16 90 cm 1,5 m 3,6 cm 3,5 cm Hierán wordt het xyleen afge~oeld van 40°C tot 20°C.

, Dit gebeurt met freon van +1 OoC. We gebruiken freon vanwege de lage temperatuur van 20°C die bereikt moet worden.

De berekeningen verlopen weer op dezelfde wijze, dit

lever~ de volgende resultaten:

Af te voeren hoeveelheid warmte Benodigde hoeveelheid freon Benodigd koeloppervlak

94,68 2270

..

.~.

•

We nemen pijpen van 25-32 Totale pijplengte

Pijplengte

Totaal aantal p~jpen Aantal pijpen per pass Aantal passes

Diameter warmtewisselaar wordt Lengte warmtewisselaar 112 1

,5

75 12 7 60 2

m,5

m extra vanwege de dampruimte van

Diameter afvoertuut freondamp

de freon. Diameter invoertuut freonvloeistof

TIiameter in- en afvoertuten xyleen

De xyleen stroomt in een ppslagtank waaruit pomp in de extractiekolom wordt gepompt.

25. ~2~E_IV 6,5 1,5 3,5 ze via m m cm m cm cm cm een

Deze pompt het xyleen.zoals boven reeds vermeld in de extractiekolom. Capaciteit minimaal 160 I/min; we . gebruiken hiervoor een centrifugaalpomp

~

..

I

•

VIII Materialen waarvan de verschillende apparaten geconstru-eerd moeten worden.(111

!EEê:!:§:ê:~ 1. Mengvat 2. Plunjerpomp 3. Voorverwarmer I

4.

Reactoren 5. Stikstof tanks

Sa.

Compressor 6. Koeler 7. Ontspanvat 8. Pomp I

9.

Destillatiekolom I 10. Condensor I 11 : Reboiler I 12. Tank 13. Pomp 11 14. Verdamper 15. Pomp 111 16. Warmtewisselaar I 17. Extractiekolom 18. Voorverwarmer 11 19. Destillatiekolom 11 20. Condensor 11 21. Reboiler 11 22. Warmtewisselaar 11 23. Warmtewiselaar 111 24. Warmtewisselaar IV 25. Pomp IV _~ê:~~!:!ê:ê:~ Al maar Cu vrij Si gietstaal 15

%

Si Roestvrijstaal 18/8 er/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Constructiestaal St.37 Constructiestaal St.37 Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Si gietstaal 15

%

Si Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Al Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Si gietstaal 15

%

Si Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Si g~etstaal 15

%

Si Roest~ijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaat 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrij sta,:~l 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Roestvrijstaal 18/8 Cr/Ni Si gietstaal 15

%

Si

~.

. 1

•

IX Literatuur

(1) Faith W.L. DonaRd B Keyes and Ronalà L Clark Industrial Chemicals. second edition p.305 John WileJ

&

Sons. New York 1958

(2) Allen C.F.H. Bull W.L. and Young D.M. Can. J. Research ~ 169 (1933)

(3) Louis F. Fieser and Mary Fieser

Organic Chemistry third edition p.

88

Reinhold Publishing Corporation New York 1956 (4) R.P. Bell end P.T. Mc Tique

J. Chem. Soc. 2963 (1960) (5) Andre Broche et René Gibert

Bull Soc. Chim. de France 5e serie no. 22 131 (1955) (6) D.W. van Krevelen and H.A.G. Chermin

Chem. Eng. Sci

1

66 (1952)

(7) G.G. Brown D Katz A.S. Foust and R Scheidewind Unit operations third edition p. 339

J Wiley

&

Sons New York (1950)

(8) S.B. Row, J.H. Koffolt, J.R. Withrow Am. Inst. Chem. Engrs. 37 559 (1941) (9) Th. K. Sherwood and R.L. Pigford

Chemical Engineering Series

Absorpt~IDn and Extraction second edition p. 441

Mc Graw- Hill Book Comps'nj New York 1952 (10)Louis S. Kassel

J. Am. Chem. Soc. 28 670 (1936) (11)G.A.N. Nelson

Corrosion Data SurveJ 1960 edition

Shell Development Everyville California

4 ____ ~

--~

~

~

'-Ia.,

_kw.f~-

~(A.. kw.l.--· ~ Ir--

r-.~

k.\'l ~ .. ~

-

~

«

~-

_t---

'ta.

k.W.?_--- . 'Ia. _r-

kw.f~--~ '}p ~ _~ ~ _'lP

f"--

1((4 ~-- -'I'" r-- r--koelwater koelwater I

.-fs

±

f5

water~ . ,~ aceetal.dehyde 1 '

~

~~~---~

--- /

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

J.

~G1 "~ stoom J

-./l

b

freon

1

~ -I~r:-

_1---

₁

, . - - - - ---1 ~I-freon __ .... L_ - - - ---ITl->'-l

J

r--"~ ~-- ~

H

1

:l

I

y--l '"

l'

f~

t--lfr-r--' V::-} _ _ _ _ ---'J ~

l

~freon IE' l() A-10

-11

? ---dowthermE

'D

q,..

l.

. 11i(4.· . :\ I \ J ₁₁ k.w Ic.t ~ -~ _IS-, 'i'>-l~ll",,- Ei· ~ --- . I S" .J----~-ffi ~ !crot0n.aldehyde 1 stoom'

---

L.---~-;1'

'Cl!>-' --1---.

~J, ~

i?:"

I'

U ç:~.f\~.."....,,-I-.-'ï7

P.--f,r

I 11 [) kw. ~---I-_.-"----~·~_~ CROTONALDEHVDE J_F.BUN

t~1 ~ ~(N

'---c~ _ _ rc::.ec~x . .::.::cl=-e _ _ _ _

1

.~.

--

r

.4 _~. ~--- ~-J

-It . +-~---~~--- ~ DATUM OCT.'63 . SCHAAL 1-40

9 1m ?m ~m 4m

'~ ,.' ., "!:

~