De productie van Methylethylketon

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het processchema

van

.

...

C2j

....

/l ...

/!/fM.L ...

.

onderwerp: ...

~~

..

/~~

... . adres:

~.fV1(){ 4~t,.

2. V~~~.

~o8

Î

datum:

{Pd.

Ij/v.

I _{r- a}

•

/

,

_~, ---~ ---- ~ - - ---~---I ~

,

n ~ ---i <

,

' 1

-~

, QI jl:l ,:" '<: j !~ i ",,) • I " _ 4 ___

J

~

o -.'

I

r.

~IL-I

~

---~

3 ~ _____________ __ ____________ I ' I 'I , I I I I .'~ ! ---' \\=:::::-.. :~\"r---":J '~ r~--~-~--~--=--~--=--=-_r---~ , ,

I~

3

I

,

Gr. A. V e r s l u i s . I n h o u d : pag. f * ^ A. I n l e i d i n g en e c o n o m i s c h e a s p e c t e n 1 B. O v e r z i c h t v a n m o g e l i j k e p r o c e s s e n 2 G. De k a t a l y t i s c h e d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c u n d a i r B u t y l a l k o h o l 5 D. K a t a l y s a t o r k e u z e en r e a t i e k i n e t i e k 7 E. B e r e k e n i n g v . d. r e a c t o r 11 F. P r o c e s g a n g en m o g e l i j k e s c h e i d i n g s m e t h o d e n 14 Gf. M a t e r i a a l b a l a n s 17 H**. Warmte s t r o m e n en w a r m t e b a l a n s e n 21 I . B e r e k e n i n g e n c o n s t r u c t i e v a n a p p a r a t e n en kolommen 30 J . T a b e l v o r m i g o v e r z i c h t 41 K. L i t e r a t u u r 42 Q

\

\

De p r o d u c t i e v a n M e t h y l e t h y l k e t o n : CH^COCgH^. G.A. V e r s l u i s , G e r a r d T e r b o r c h s t r a a t 2, Woerden. f\j I n l e i d i n g ; M e t h y l e t h y l k e t o n (MEK) i s een k l e u r l o z e o n t v l a m b a r e v l o e i

-s t o f met e e n a c e t o n a c h t i g e g e u r . Het m o l . g e w i c h t v a n MEK i -s 72,10

h e t s m e l t p u n t -85,9'C, k o o k p u n t 7 9 , 6PC e n h e t s . g . 0,805 b i j 20*C.

Het i s o p l o s b a a r i n w a t e r (37g/100g b i j kamertemp.), a l k o h o l , e t h e r , a c e t o n , e n b e n z e e n , e n mengbaar met oliën.

MEK w o r d t v o o r n a m e l i j k g e b r u i k t a l s o p l o s m i d d e l v o o r v i n y l -h a r s e n en b i j p o l y m e r i s a t i e s ( b . v . v a n s t y r e e n ) . I n -h e t algemeen k a n MEK beschouwd worden a l s een c o n c u r r e n t v a n e t h y l a c e t a a t , s p e c i a a l a l s l a a g k o k e n d o p l o s m i d d e l v o o r n i t r o c e l l u l o s e * t V e r d e r w o r d t MEK g e b r u i k t i n h e t D u o s o l p r o c e s v o o r de r a f f i n a g e v a n s m e e r o l i e . Men e x t r a h e e r t dan met een m e n g s e l v a n 2 e x t r a c t i e -m i d d e l e n n . 1 . " s e l e c t o " (MEK+tolueen) e n p r o p a a n , d i e w e d e r z i j d s p r a c t i s c h n i e t o p l o s b a a r z i j n . P r o p a a n l o s t v e e l p a r a f f i n e n o p , en " s e l e c t o " de a r o m a t i s c h e p r o d u c t e n . E c o n o m i s c h e a s p e c t e n . De p r o d u c t i e c i j f e r s v a n MEK i n de V e r e n i g d e S t a t e n i n de j a r e n na de 2e w e r e l d o o r l o g v e r t o n e n een l i n e a i r e toename d i e o n g e v e e r e v e n r e d i g l o o p t met d i e v a n de s y n t h e t i s c h e h a r s e n ( l i t . 1 ) Ook de c a p a c i t e i t p e r p l a n t h e e f t de t e n d e n s g r o t e r t e w o r d e n : t e r w i j l i n 1956 de g r o o t s t e i n de U.S.A. gebouwde f a b r i e k een

j a a r l i j k s e c a p a c i t e i t had v a n 40 m i l l i o e n l b s . ( L i t . 1 ) , worden i n l a t e r e p u b l i c a t i e s c a p a c i t e i t e n genoemd v a n 2000 g a l l o n / u u r .

(+50.000 t o n p e r j a a r ) . ( L i t . 2 ) .

A l s deze t e n d e n s ook v o o r W e s t - E u r o p a a a n n e m e l i j k mag worden g e a c h t , z u l l e n de a f z e t m o g e l i j k h e d e n dus h o o f d z a k e l i j k worden

Hoewel ons l a n d i n 1963 11772 t o n MEK e x p o r t e e r d e t e g e n -o v e r e e n i n v -o e r v a n t -o t a a l 2303 t -o n a c y c l i s c h e k e t -o n e n ( z -o n d e r a c e t o n ) w o r d t een f a b r i e k s g r o o t t e v a n 4 0 . 0 0 0 / t o n / j a a r a l s een t e c h n i s c h en e c o n o m i s c h v e r a n t w o o r d e c a p a c i t e i t aangenomen. $ƒ O v e r g i c h t v a n m o g e l i j k e p r o c e s s e n . I n de j a r e n 19471950 worden a l d e h y d e n en k e t o n e n g e p r o -d u c e e r -d -door -de -damp v a n een v i n y l h a l o g e n i -d e b i j v e r h o o g -d e t e m p e r a t u u r i n c o n t a c t t e b r e n g e n met e e n h y d r a t i e - a g e n s , b e s t a a n d e u i t een m i n e r a a l z u u r r e a g e r e n d o x y z u u r e n i n a a n w e z i g h e i d v a n waterdamp. Op deze m a n i e r worden 2 c h l o r o

-Q 2-buteendamp en stoom door een b u i s r e a c t o r g e l e i d d i e g e v u l d

i s met e e n v a s t e H^PO^ k a t . b i j e e n t o t a l e v o e d i n g s s t r o o m s n e l -h e i d v a n 7 0 0 g / l . k a t . u u r . De v e r -h o u d i n g i n m o l e n stoom:molen h a l o g e n i d e = 2 : 1 . De r e a c t i e t e m p . i s +225*C.

De c o n v e r s i e v a n h e t 2 - c h l o r o - 2 - b u t e e n i s 9 0 $ , t e r w i j l 81$ v a n de r e a c t i e p r o d u c t e n MEK i s . ( L i t . 3 )

Ook g e c o n c e n t r e e r d HgSO^ k a n a l s k a t a l y s a t o r d i e n s t doen (4&5) De b r u t o - r e a c t i e i s v o o r t e s t e l l e n a l s : H3C-HC=CC1-CH3 + H2S 04 > HjC-CHg-CO-CH^ + S 02 + HC1. Ongeveer t e r z e l f d e r t i j d w o r d t ook a l s g r o n d s t o f w e l g e b r u i k t 2 - b u t y l e e n g l y c o l , wat i n e e n k o l o m g e d e h y d r a t e e r d w o r d t d o o r t o e v o e g i n g v a n n i e t - v l u c h t i g e s t e r k e z u r e n a l s g e c . HgSO^, HjPO^, o f t o l u e e n p a r a s u l f o n z u u r . ( 6 ) . V o o r a l deze p r o c e s s e n z i j n e c h t e r t a m e l i j k dure g r o n d -s t o f f e n n o d i g , en -s i n d -s 1950 w o r d t MEK d a n ook v r i j algemeen g e p r o d u c e e r d door o x y d a t i e e n / o f d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c u n d a i r b u t y l a l k o l h o l . De o x y d a t i e r e a c t i e v a n H^C-CH0H-C2H^ i s e x o t h e r m , de d e h y d r o g e n e r i n g s r e a c t i e e n d o t h e r m . A a n g e z i e n de k a t a l y t i s c h e d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c . b u t y l -a l k o l h o l t o t MEK s e l e c t i e v e r i s ( b i j g e b r u i k v -a n de j u i s t e k -a t . ) dan de o x y d a t i e w o r d t h e t d e t h y d r o g e n e r i n g s p r o c e s momenteel v r i j w e l o v e r a l t o e g e p a s t .

I n de l a a t s t e j a r e n w o r d t v o o r a l i n D u i t s l a n d en R u s l a n d g e z o c h t n a a r m o g e l i j k h e d e n om MEK t e p r o d u c e r e n d o o r d i r e c t e k a t a l y t i s c h e o x y d a t i e v a n b u t e e n . Men g e b r u i k t a l s k a t a l y s a t o r e n h i e r v o o r o.a. de c h l o r i d e n en b r o m i d e n v a n Pd en P t . De c o n v e r s i e s en rendementen z i j n e c h t e r t o t nog t o e t e l a a g om industriële b e t e k e n i s t e hebben. (7,8 en 9) Daarom z u l l e n ook w i j de d e h y d r o g e n e r i n g t o e p a s s e n . P l a a t s v a n v e s t i g i n g : Daar de p r o c e s v o e r i n g r e l a t i e f w e i n i g mankracht v e r e i s t , w o r d t de v e s t i g i n g s p l a a t s v o o r n a m e l i j k b e p a a l d d o o r g r o n d s t o f -e n -e r g i -e - -en t r a n s p o r t k o s t -e n . Ho-ew-el s -e c . b u t y l a l k o h o l i n g r o t -e q u a n t a t e koop i s , v e r d i e n t h e t , v o o r h e t v e r k r i j g e n v a n een goede c o n c u r r e n t i e p o s i t i e , v e r r e de v o o r k e u r ook de p r o d u c t i e v a n de a l k o h o l i n e i g e n hand t e houden. Daar s e c . b u t y l a l k o h o l w o r d t g e p r o d u c e e r d door h y d r a t a t i e v a n b u t e e n - 2 maakt de M E K - f a b r i e k m e e s t a l d e e l u i t v a n e e n o l i e r a f f i n a d e r i j . U i t e r a a r d i s h e t ook m o g e l i j k de b u t a n o l -en de M E K - f a b r i e k a l s e e n z e l f s t a n d i g g e h e e l t e p l a a t s e n , maar dan b i j v o o r k e u r i n de b u u r t v a n e e n r a f f i n a d e r i j , z o d a t h e t b e n o d i g d e b u t e e n g e m a k k e l i j k p e r p i j p l e i d i n g k a n worden

t o e g e v o e r d . A l s p l a a t s v a n v e s t i g i n g i n ons l a n d komt dus i n a a n -m e r k i n g : h e t B o t l e k - E u r o p o o r t g e b i e d .

S c h e m a t i s c h o v e r z i c h t v a n de r a f f i n a d e r i j . ruwe o l i e — ^ Crude D i s t i l -l a t i o n r e s l i c h t e t o p s ( C ^ - C ^ ) b e n z i n e k a t . r e f o r m k a t . r e f o r m I-s, t h e r m . r e f o r m t h e r m . r e f o r m jfr n a f t a _^ k e r o s i n e k a t a 1. g a s o l i e Pff-h. pi-apVjnkr b r a k e n -Ê> gas b e n z i n e v o e d i n g > g a s ( v n l . C ^ - C ^ j> b e n z i n e -5. " l i g h t c y c l e o i l " C s m e e r o l i e ( p a r a f i n e w a s ) du^. -> s m e e r o l i e

^

t h e r m i s c h k r a k e n :olces gas -> b e n z i n e " c y c l e o i l " 0 a s f a l t

Het gas v a n h e t k a t a l y t i s c h r e f o r m e n b e v a t v r i j w e l geen o l e f i n e n d a a r d i t p r o c e s onder w a t e r s t o f d r u k w o r d t u i t g e v o e r d ; d i t i n t e g e n s t e l l i n g t o t h e t k a t a l y t i s c h - k r a a k g a s d a t r e l a t i e f v e e l p r o p e e n en b u t e n e n b e v a t . Door d e s t i l l a t i e w o r d t nu de b u t a a n - b u t e e n f r a c t i e g e s c h e i d e n v a n de o v e r i g e g a s s e n u i t de c a t . c r a c k e r . Deze B . B . f r a c t i e b e v a t i s o b u t e e n , de n b u t e n e n , n b u t a a n en i s o b u t a a n . I s o b u t e e n k a n h i e r -u i t s e l e c t i e f worden g e p o l y m e r i s e e r d t o t diïsob-uteen, o f d o o r yi-J

5

-O

s e l e c t i e v e a b s o r p t i e i n 6 5 $ - i g HgSO^ b i j 5-10°C v e r w i j d e r d worden. De b u t e n e n worden dan geëxtraheerd v a n b u t a a n en i s o

-b u t a a n d o o r a -b s o r p t i e i n g e c o n c . H2S Ö ^ en h e t s e c . b u t a n o l w o r d t v e r k r e g e n d o o r h y d r o l y s e v a n de z u r e o p l o s s i n g . H-zC—CH=CHCH-f Hp SO. , HqO 5 5 - — - v CH,CHoCH0CH, 8 0 % 5 ^ 5 H^fCCHpCH=CHp ..v f.p. '•- " ' ,fv 0 d d ' j'Butanol-2 Qj De k a t a l y t i s c h e d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c . b u t y l a l k o h o l . r fewüv! Hoewel i n de l i t e r a t u u r m e l d i n g w o r d t gemaakt v a n d e h y d r o -g e n e r i n -g i n de v l o e i s t o f f a s e ( l o ) met R a n e y - N i - k a t . ( 3 - d e l e n ) +20 d e l e n t e t r a d e c a h y d r o a n t h r a c e e n , en 0 , 5 d e l e n s e c . BuOH, w o r d t v r i j w e l algemeen de g a s f a s e d e h y d r o g e n e r i n g b i j atmo-s f e r i atmo-s c h e d r u k t o e g e p a atmo-s t . E e n u i t g e b r e i d o n d e r z o e k h e e f t p l a a t s g e v o n d e n n a a r de meest gewenste k a t a l y s a t o r , v o o r n a m e l i j k d o o r i J i G . I . en E s s o R e s e a r c h . O f s c h o o n een g r o t e v e r s c h e i d e n h e i d v a n p r o m o t o r e n , d r a g e r s en k a t a l y s a t o r e n worden v e r m e l d , i s v r i j w e l a l t i j d èè.n o f

meerdere v a n de componenten ZnO, Zn, Cu o f CuO a a n w e z i g .

Zo b e s c h r i j f t I . C . I . ( 1 1 ) e e n d e h y d r o g e n e r i n g i n de damp-f a s e met k a t . b e s t a a n d e u i t Cu op ZnO ( m o l v e r h o u d i n g 1:2)

Men w e r k t b i j een b e g i n t e m p . v a n 300-440 0 C.

Een mengsel v a n s e c . BuOH, H2 en waterdamp w o r d t met een

s p a c e - v e l o c i t y v a n 2,5 v o l . d a m p m e n g s e l / v o l . k a t . u u r o v e r de k a t . g e l e i d . O p b r e n g s t + 95$. FRJ.» L a t e r ( 1 2 ) w o r d t v e r m e l d d a t de v e r h o u d i n g Cu/ZnO k a n ' '" / v e r l a a g d worden t o t 1:3 L e v e n s d u u r v a n de k a t . + 1700 u u r . S t a n d a r d O i l Development Co b e s c h r i j f t ( 1 3 ) de K a t a l y t i s c h e d e h y d r o g e n e r i n g v a n a l k o h o l e n t o t c a r b o n y l v e r b i n d i n g e n met een k a t a l y s a t o r d i e b e v a t : a) ZnO, MgO, o f BeO

b) 1-15$ Z r 02, CegO^ o f T h 02, en

De k a t a l y s a t o r i s zo s t a b i e l d a t h i j 3-6 maenden o v e r een g r o o t t e m p e r a t u u r g e b i e d kan worden g e b r u i k t z o n d e r r e g e n e r a t i e .

I n een l a t e r e p u b l i c a t i e (14) w o r d t m e l d i n g gemaakt v a n een b e t e r e d r a g e r v o o r de k a t . Men g e b r u i k t g r o t e b r o k k e n Z i r k o o n , wat s p e c i a a l na v o o r b e h a n d e l i n g met warme NaOH, KOH o f NH^ u i t s t e k e n d e r e s u l t a t e n g e e f t .

E l d e r s (15) w o r d t een b e s c h r i j v i n g v a n een industriële i n s t a l l a t i e gegeven v o o r de p r o d u c t i e v a n a l i f a t i s c h e k e t o n e n d o o r d e h y d r o g e n e r i n g v a n a l k o h o l e n met een k a t . b e s t a a n d e u i t gedroogde en g e c a l c i n e e r d e ZnO gemengd met 10$ NagSiO^.

B i j g e b r u i k v a n deze s t o f f e n z i j n de b e s t e r e a c t i e c o n d i t i e s

een r e a c t i e t e m p . v a n 320-330 0 C. en een g a s b e l a s t i n g v a n 600 1

a l k o h o l / l . k a t . u u r . De o p b r e n g s t i s dan 75-80 gew.$ MEK i n de r e a c t i e p r o d u c t e n en een max. van 0,5 $ o l e f i n e n . ( 1 6 ) .

E s s o - R e s e a r c h en E n g i n e e r i n g Co c l a i m t h e t g e b r u i k v a n cokes met een l a a g s i l i c a - en a s g e h a l t e a l s d r a g e r ( 1 7 ) . Deze i s

g o e d k o p e r dan de m e t a l l i s c h e en g e e f t b o v e n d i e n een h o g e r e c o n v e r s i e en een l a n g e r e s t a b i l i t e i t . De c o k e s w o r d t v o o r b e -h a n d e l d met Z n ( 0 A c ) 2 om de o l e f i n e v o r m i n g zo k l e i n m o g e l i j k t e maken.

De g e b r u i k t e m e t a a l o x y d e n z i j n : MgO, CaO, BeO ZnO en C^O^.

A l s s t a b i l i s a t o r e n en p r o m o t o r e n w o r d e n g e b r u i k t :

B i g O ^ , SbgO^ ZrOg, ThOg CegO^ en VgO^ i n een h o e v e e l h e i d van 1-15 gew.$ ( l i e f s t 5 gew. $) van h e t t o t a l e g e w i c h t aan

k a t . m e n g s e l .

Een c o n v e r s i e van 80$ w o r d t b e r e i k t d o o r g e b r u i k v a n

6$ ïïa9C0_ en 94$ ZnO p p c o k e s a l s d r a g e r (1) b i j 900 0 P.

w o r d t de v o o r k e u r gegeven aan een s p e c i a a l s o o r t AlgÖ^ - a l u m i n a a l s d r a g e r . Cokes g e e f t n a m e l i j k a l s g e v o l g van een n i e t - u n i f o r m e d e e l t j e s g r o o t t e , een n i e t u n i f o r m e warmte-o v e r d r a c h t en d a a r d warmte-o warmte-o r een k warmte-o r t e r e l e v e n s d u u r v a n de

7 A n d e r e s c h r i j v e r s s t e l l e n h e t g e b r u i k v a n C u k a t a -l y s a t o r e n (met t o e v o e g i n g v a n a n d e r e componenten) v o o r . Zo v e r k r i j g t Kawamoto (19) e e n o p b r e n g s t v a n + 95$ MEK d o o r b i j a t m o s f e r i s c h e d r u k s e c . butanoldamp v a n 325 0 C. o v e r e e n g e r e d u c e e r d e C u - k a t . t e l e i d e n , d i e b e r e i d i s d o o r p r e c i p i t a t i e met v e r d . NaOH o f KgCO^.

I n D u i t s l a n d ( 2 0 ) w o r d t een o p b r e n g s t v a n 85$ MEK v e r -k r e g e n d o o r een dampmengsel v a n s e c . b u t a n o l en m e t h a n o l

(10:1) b i j 270 0 C. t e l e i d e n o v e r e e n k a t . b e s t a a n d e u i t

50 d e l e n Cu, 35 d e l e n MgO en 50 d e l e n diatomeeënaarde.

^£)^jj

^ •a" *; a^y s a" ^o r k e u 2 e e n R e a o t i e k i n e t i e k .

V o o r h e t o n t w e r p v a n k a t a l y t i s c h e r e a c t o r e n i s e e n g r o t e h o e v e e l h e i d k i n e t i s c h e s t u d i e v e r e i s t . O f s c h o o n e m p i -r i s c h e b e n a d e -r i n g e n hebben bewezen d i e n s t i g t e z i j n v o o -r commerciële u n i t s , w i n t een meer f u n d a m e n t e l e b e n a d e r i n g v a n z u l k e p r o b l e m e n aan b e t e k e n i s .

A l s r e s u l t a a t v a n de o n t w i k k e l i n g v a n de r e a c t i e s n e l h e i d s

-mechanismen, v o o r g e s t e l d d o o r Hougen en Watson, w a a r i n de \ ^ a c t i e v e c e n t r a op h e t k a t a l y s a t o r o p p e r v l a k een b e l a n g r i j k e

r o l s p e l e n , i s h e t nu m o g e l i j k de r e a c t i e s n e l h e i d t e v e r b i n d e n met h e t g e d r a g v a n r e a c t a n t e n en p r o d u c t e n op deze a c t i e v e p l a a t s e n . I n p o r e u z e k a t ' s z i j n diffusieëffecten v a n b e t e k e n i s d i e afnemen met de g r o o t t e v a n de k a t . d e e l t j e s en n i e t meer v a n b e l a n g z i j n v o o r gefluïdiseerde bedden.

Hoewel i n de l i t e r a t u u r u i t c o n c u r r e n t i e o v e r w e g i n g e n d a a r -o v e r w e i n i g w -o r d t g e p u b l i c e e r d , w -o r d t i n c-ommerciële i n s t a l l a t i e s v o o r de d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c . b u t a n o l t o t MEK vaak g e b r u i k

gemaakt v a n m e s s i n g a l s k a t a l y s a t o r ; soms a l s k o g e l t j e s , v a a k ook a l s k r u l l e n . Daar m e s s i n g ( 6 5 $ Cu,35$Zn) de b e i d e v a a k voorkomende k a t a l y s a t o r e l e m e n t e n b e v a t en b o v e n d i e n v r i j v e e l m e t i n g e n aan deze k a t . z i j n v e r r i c h t , s p e c i a a l d o o r P e r o n a en Thodos ( 2 1 ) , z a l deze k a t . ook d o o r ons worden t o e g e p a s t , en w e l i n de vorm v a n k o g e l t j e s met e e n d i a m e t e r v a n 1/8 i n c h .

B e h a l v e h e t f e i t d a t deze k a t . goede w a r m t e o v e r d r a c h t s -e i g -e n s c h a p p -e n h -e -e f t -en d a a r d o o r w -e i n i g "hot s p o t s " voorkom-en, k a n h i j g e m a k k e l i j k worden g e r e g e n e r e e r d omdat geen v e r

-p u l v e r i n g o -p t r e e d t . V e r m i n d e r i n g v a n h e t a a n t a l h o t s p o t s h e e f t e e n g r o t e r e s e l e c t i v i t e i t t o t g e v o l g , omdat m i n d e r d e h y d r a t a t i e o p t r e e d t . De l e v e n s d u u r v a n de k a t . i s + 3 maanden, e n r e g e n e r a t i e k a n op e e n v o u d i g e w i j z e p l a a t s v i n d e n d o o r met een z u u r -s t o f h o u d e n d ga-s b i j + 500 C. de gevormde k o o l a f t e b r a n d e n , en v e r v o l g e n s met een r e d u c e r e n d e a c t i v e r i n g u i t t e v o e r e n . Het g e b r u i k v a n m e s s i n g a l s k a t . e l i m i n e e r t u i t e r a a r d de poriëndiffusie en maakt d i r e c t e b e r e k e n i n g m o g e l i j k v a n h e t opp. d a t d e e l n e e m t a a n de r e a c t i e . T e n e i n d e meer i n z i c h t t e k r i j g e n i n h e t r e a c t i e - m e c h a n i s m e z i j n p r o e v e n gedaan met e e n b u i s r e a c t o r w a a r i n i . p . v . k a t . d e e l -t j e s u i -t s l u i -t e n d g l a s p a r e l s v a n 3-5 mm. werden a a n g e b r a c h -t . De g l a z e n k o g e l t j e s z o r g d e n v o o r e e n goede w a r m t e o v e r d r a c h t e n v e r z e k e r d e n e e n u n i f o r m s t r o m i n g s p a t r o o n , t e r w i j l de p o r o -s i t e i t v e r k l e i n d werd en d a a r d o o r e e n -s n e l l e r e p r o d u c t a f v o e r werd v e r k r e g e n . I n a f w e z i g h e i d v a n de k a t . b l i j k t e e n k r a k i n g s -r e a c t i e op t e t -r e d e n ( v o o -r m i n d e -r dan 1$ b i j 750 0 F.) De s n e l h e i d v a n de k r a k i n g s r e a c t i e neemt s t e r k t o e met de t e m p e r a t u u r . Om e e n r e d e l i j k c o n v e r s i e t e k r i j g e n en t o c h

geen g r o t e k r a k i n g k a n b i j n i e t h o g e r e T. dan + 420 0 C. worden

g e w e r k t .

B i j a a n w e z i g h e i d v a n de k a t . v i n d t p l a a t s :

CR"3CH2CH0HCH, > C ^ C O C H , + H2 .

V o o r de a f l e i d i n g v a n de r e a c t i e s n e l h e i d s v e r g . v o l g e n s de methode v a n Hougen e n Watson worden i n h e t r e a c t i e m e c h a nisme 4 s t a p p e n v e r o n d e r s t e l d , en aangenomen d a t geen s n e l -h e i d s b e p e r k i n g d o o r i n w e n d i g s t o f t r a n s p o r t p l a a t s v i n d t :

Ie s t a p : A d s o r p t i e v a n a l k . a a n k a t . o p p .

9 -( Z e e r s n e l ) ( S n e l h e i d s b e p e r k e n d ) 3e s t a p : D e s o r p t i e v a n k e t o n . 4e s t a p : D e s o r p t i e v a n Rv,. Met b o v e n s t a a n d e aannamen i s v o o r de r e a c t i e s n e l h e i d aan h e t o p p e r v l a k a f t e l e i d e n : c ( p A 1 . ! i i : ü i A l K r A = PK i ( l + KA. pA ± + KA K. pA. V e r g . 1 H i e r i n i s KA de a d s o r p t i e - e v e n w i c h t s c o r e f c a n t e v o o r s t a p 1 en KAg i s h e t p r o d u c t v a n KA en de e v e n w i c h t s c o n s t a n t e v o o r s t a p 2. De c o n s t a n t e n C, KA en KAg b l i j k e n de v o l g e n d e t e m p e r a t u u r s f u n c t i e s t e z i j n : - 10735 l o g . C = l o g . KA = l o g . KA K= + 7,776. T - 6165 T 486 T + 5,327 - 0,1968 De r e l a t i e t u s s e n s p a c e - v e l o c i t y en c o n v e r s i e dxj, i n een e l e m e n t a i r r e a c t o r v o l u m e w a a r v a n h e t opp. dS i s , w o r d t gegeven d o o r : F d x A = rAds S kï o f --- =

l

dx A V e r g . 2 F-- f**- / De v e r h o u d i n g S/P i s h i e r meer f u n d a m e n t e e l dan W/P d a a r deze n i e t a f h a n k e l i j k i s v a n b e r e i d i n g s w i j z e en d e e l -t j e s - g r o o -t -t e v a n de k a -t .

De b o v e n v e r m e l d d e r e a c t i e s n e l h e i d s v e r g e l i j k i n g i s v o o r de r e a c t o r b e r e k e n i n g a l l e e n t o e p a s b a a r a l s de p a r t i a a l

-s p a n n i n g e n v a n de componenten aan h e t g r e n -s v l a k bekend z i j n . M e t i n g e n werden gedaan e n een d i m e n s i e l o z e b e t r e k k i n g

v o o r h e t s t o f t r a n s p o r t g e t a l a f g e l e i d d o o r Hougen en Watson ( 2 1 ) Op deze m a n i e r w o r d t h e t m o g e l i j k h e t v e r s c h i l i n p a r t i a a l -s p a n n i n g v a n e e n comp. o v e r de g a -s f i l m l a a g t e b e p a l e n , en w o r d t h e t g e b r u i k v a n v e r g . 2 t o e p a s b a a r op c o n d i t i e s a a n h e t opp. v a n de k a t . De b e n a d e r i n g m.b.v. t r a n s p o r t coè'f f i c i e n t e n i s e c h t e r wat m o e i l i j k h a n t e e r b a a r en daarom k a n b e t e r g e b r u i k / gemaakt w o r d e n v a n de Hoogte van e e n R e a c t o r - U n i t . HRU Jf\A

De g e c o m b i n e e r d e b i j d r a g e n v a n s t o f t r a n s p o r t e f f e c t e n en de r e a c t i e a a n h e t opp. worden op g e m a k k e l i j k e w i j z e v o o r g e s t e l d d o o r de h o o g t e v a n e e n r e a c t o r - u n i t H.R.U. Voor e e n r e a c t i e d i e i n b e i d e r i c h t i n g e n u n i m o l e c u l a i r i s , en w a a r v o o r de p a r t i a a l d r u k v e r a n d e r i n g e n v a n de compo-n e compo-n t e compo-n d o o r de g a s f i l m g e l i j k z i j compo-n ecompo-n de a d s o r p t i e t e r m e compo-n i n de noemer v a n v e r g . 1 v e r w a a r l o o s b a a r , d e f i n i e e r t H u r t ( 2 2 ) de h o o g t e v a n e e n k a t a l y t i s c h e r e a c t o r d o o r de u i t d r u k k i n g : r e s u l t e r e n d u i t de o p p e r v l a k t e r e a c t i e v o o r s t e l d ; H.T.U. de h o o g t e v a n e e n t r a n s p o r t e e n h e i d t . g . v . s t o f o v e r d r a c h t s e f f e c t e n en H.R.U. de h o o g t e v a n e e n r e a c t o r e e n h e i d d i e z o w e l de b i j -d r a g e n v a n s t o f t r a n s p o r t a l s opp. reactieëffecten v o o r s t e l t . Hoewel H u r t b i j de o n t w i k k e l i n g v a n deze c o n c e p t e n e e n u n i m o l e c u l a i r e r e a c t i e p o s t u l e e r d e , mogen deze eenheden t o c h worden t o e g e p a s t b i j de d e h y d r o g e n e r i n g v a n s e c . b u t a n o l , waar

H.R.U.

z = (H.C.U. + H.T.U.). NR = (H.R.U.). NR

w a a r i n H.C.U. de h o o g t e v a n e e n k a t a l y t i s c h e e e n h e i d ,

P-I - P

N-d = I n (p = e v e n w i c h t s p a r W s p . )

11

-H.R.U.-waarden z i j n b e r e k e n d v o o r r e a c t i e t e m p . v a n 650°,

700 0 e n 750 0 F. g e b a s e e r d op t h e r m o d y n a m i s c h e e v e n w i c h t s

-gegevens v a n K o l b e n B u r w e l l ( 2 3 ) . ^r^~-^-^i^a JU. YAWUS

(zij.

Ze worden g r a f i s c h w e g g e g e v e n a l s f u n c t i e v a n de b e l a s -t i n g . De H.R.U. ( i n f -t . ) i s e e n l i n e a i r e f u n c -t i e v a n de damp-b e l a s t i n g ( l damp-b s / h r . f t ) w e l k e u i t e r a a r d d o o r de o o r s p r o n g g a a t , en e e n h e l l i n g m h e e f t : H.R.U. = mG. m i s op de v o l g e n d e w i j z e a f h a n d e l i j k v a n de temp.: 1 (78,23T - 6 8 , 1 6 8 ) " ' " Q ^ { ^ ^ ' U ? m = 5/6 H i e r i n i s T de r e a c t i e t e m p . i n R a n k i n e . /;4-4Ät te f-! Voor 750 0 F. i s m = 5,33 x 1 0 "4 O f s c h o o n de T h e o r e t i s c h e a c h t e r g r o n d b e t r e f f e n d e de d e f i n i t i e v a n H.R.U. v o o r d e z e r e a c t i e n i e t e r g s t e r k i s , g e v e n de b e t r e k k i n g e n r e s u l t e r e n d u i t h e t l i n e a i r e H.R.U.G—verband e e n z e e r g e s c h i k t e methode v o o r h e t o n t -werp v a n r e a c t o r e n v o o r d i t t y p e r e a c t i e s e n k a t a l y s a t o r e n . Thermodynamisch e v e n w i c h t . K o l b en B u r w e l l ( 2 3 ) v o n d e n de v o l g e n d e t h e r m o d y n a m i s c h e gegevens v o o r de d a m p f a s e d e h y d r o g e n e r i n g : -2790 l o g . K = + 1,510 T + 1,865 P T A H t = 12,770 + 3,0 T. A St - 11,54 + 6,908 l o g T. w a a r i n T de r e a c t i e t m p . i n °K. v o o r s t e l t . De r e a c t i e i s dus s t e r k e n d o t h e r m . pk e t PH O L2P Nu i s K = = P = t o t a a l d r u k . p pA (l-o«.)

Voor T = °C. Kp = 360 48,5 380 69,5 400 97,8 420 134,3 Om een zo g u n s t i g m o g e l i j k e c o n v e r s i e t e k r i j g e n en zo min m o g e l i j k k r a k i n g w o r d t a l s r e a c t i e t e m p . 400°C (+ 750°E.) g e k o z e n . De t o t a l e d r u k i n de r e a c t o r i s 1 a . t . a . B e r e k e n i n g v a n de r e a c t o r ; V o o r de u i t v o e r i n g v a n de r e a c t i e maakt men g e b r u i k v a n twee t y p e n v a s t - b e d r e a c t o r e n n.1.: 1) E n k e l e v a s t - b e d r e a c t o r e n v a n b e t r e k k e l i j k g r o t e d i a m e t e r a c h t e r e l k a a r , w a a r t u s s e n h e t dampmengsel s t e e d s w o r d t opgewarmd, d o o r h e t i n nauwere b u i z e n d o o r een f o r -n u i s t e l e i d e -n . ( E s s o ) .

2) Een b u i s r e a c t o r met v e l e dunnere p i j p e n , waaromheen h e t verwarmend medium s t r o o m t .

V o o r de c o n v e r s i e en de s e l e c t i v i t e i t v o o r een b u i s r e -a c t o r b i j 400°C. w o r d t v o o r onze k -a t . v e r m e l d r e s p . 90 en 96$

( l i t . 2 1 ) . Hoewel een b u i s r e a c t o r z a l worden g e b r u i k t , z a l , om een i n d r u k t e k r i j g e n v a n de v e r e i s t e b e d h o o g t e de b e r e -k e n i n g worden u i t g e v o e r d v o o r een r e a c t o r v a n h e t Ie t y p e . S t e l de r e a c t o r h e e f t een d i a m e t e r v a n 90 cm. V o o r een p r o d u c t i e v a n 40.000 t o n M E K / j a a r i s b i j 8000 w e r k -u r e n de b e l a s t i n g aan s e c . b -u t a n o l (mol.gew. 7 4 , 1 2 ) : 5000 x 74,12 4x ( 0 , 3 0 5 )2 & = x 0 = 1917 l b s / h r . f t ^ 72,10 x 0,9 x 0,96 x 0,454 3,14 x (0,9) ( De h o o g t e van een r e a c t o r - u n i t i s : ZV H.R.U. = mG- = 5,33 x 1 0 "4 x 1917 = 1,02 f t . De k a t a l y s a t o r b e d h o o g t e z = (H.R.U.) N-^.

Het a a n t a l t r a n s p o r t e e n h e d e n = I n PA 1 " PA * PA 2 " PA * w a a r i n pA 1 en pA2 de a l k o h o l p a r t . s p . v o o r en na de r e a c t i e v o o r s t e l l e n en pA* de e v e n w i c h t s p a r t i s p . Kp — — — — — — — _____ — ( _--!).£ ( 1 - ^ J2) 1+ Voor P = 1 a . t . a . i s Kp 4 Q 0o = 97,8 9 7 , 8 = — JoC- 0,99492. ^ 1-ök2 1 De s a m e n s t e l l i n g van h e t e v e n w i c h t s m e n g s e l i n m o l f r a c t i e s i s : Voor H2 = k e t o n = = 0,4987 M o l f r a c t i e a l k o h o l : 1- 2x 0,4987 = 0,0026 pA t = l Voor v e r s c h i l l e n d e w a a r d e n van z ( m f e e t ) w o r d t nu v i a de p a r t i a f l s p a n n i n g aan de u i t g a n g v a n de r e a c t o r pA2 de c o n v e r s i e x . b e r e k e n d : A 1-x z ( f t ) p A9 ( i n atm.)= C o n v e r s i e x. 1+x 0,0 1,000 0,000 0,5 0,6135 0,239 1,0 0,3768 0,451 1,5 0,2318 0,623 2,0 0,1434 0,749 2,5 0,0886 0,837 3,0 0,0553 0,895 4,0 0,0224 0,956 I n f t ' g . 1 i s z u i t g e z e t a l s f u n c t i e v a n x.. U i t de g r a f i e k b l i j k t d a t v o o r een 9 0 $ i g e c o n v e r s i e een b e d h o o g t e v a n 95 cm. n o d i g i s . De i n h o u d v a n h e t k a t . bed i s d u s : ( 0 , 9 )2 x 0,95 m3 = 0,603 m3 = 603 1.

/ :

De p o r o s i t e i t i s 0,40. s .g. 8,287 kg/dnr5. E r i s dus ---- x 603 x 8,287 • 3000 kg k a t . n o d i g . 100 Fj P r o c e s g a n g en m o g e l i j k e s c h e i d i n g s m e t h o d e n : O' Het v l o e i b a r e s e c . b u t a n o l w o r d t i n een w a r m t e w i s s e l a a r ^ i-* _,.

v a n 20 op 98°C. g e b r a c h t , w o r d t v e r d a m p t e r r v e r v o l g e n s ^pj1,

i n een o v e r v e r h i t t e r ^ ' m . b . v . r a f f i n a d e r i j g a s op een temp. alt„*f

v a n 400 C. g e b r a c h t . B i j de c o n s t r u c t i e v a n de r e a c t o r w o r d t

aangenomen d a t de g e c o n v e r t e e r d e a l k o h o l g e h e e l i n MEK j^fjp w o r d t omgezet, en op deze aanname w o r d t de h o e v e e l h e i d

r e a c t i e w a r m t e b e p a a l d d i e v a n u i t r a f f i n a d e r i j g a s w o r d t t o e -w g e v o e r d . W a r m t e t o e v o e r d o o r m i d d e l van stoom o f do-wtherm zou

z e e r zware e i s e n s t e l l e n aan de c o n s t r u c t i e m a t e r i a l e n , omdat b i j deze temp. z e e r g r o t e d r u k k e n n o d i g z o u d e n z i j n . De d e h y d r o g e n e r i n g s r e a c t i e i s v o o r 96$ s e l e c t i e f . Aangenomen w o r d t d a t de n e v e n r e a c t i e s b e s t a a n u i t een d e h y d r a -t a -t i e en k r a k i n g ( i e d e r v o o r 2 mol.$) C2H50 H 0 H C H5 > H20 + C2H5C H = C H2 C2H5CHOHCH > C H4 + CH^COCH^

Het r e a c t i e g a s m e n g s e l wat de r e a c t o r v e r l a a t b e v a t dus

n a a s t MEK, s e c . b u t a n o l en H2 ook waterdamp, buteen,methaan

en a c e t o n . Het w o r d t i n een w.w. g e k o e l d met de v l o e i b a r e g r o n d s t o f , d a a r n a met w a t e r t o t 100°C.

V e r v o l g e n s w o r d t g e c o n d e n s e e r d en g e k o e l d met k o e l w a t e r t o t 40°C, en de nog n i e t g e c o n d e n s e e r d e g a s s t r o o m w o r d t

d i e p g e k o e l d met P r e o n l 2 tot-20°C.

Deze l a g e temp. i s n o d i g om de dampspanning v a n MEK i n p

de ruwe H2 zo k l e i n m o g e l i j k t e doen z i j n , en a n d e r s z i j d s de [

o p l o s b a a r h e i d v a n H2 i n de g e c o n d e n s e e r d e p r o d u c t e n t e

Het methaan v e r d w i j n t met de ruwe Hg n a a r e e n z u i v e r i n g s -i n s t a l l a t -i e . Voor de s c h e -i d -i n g v a n de g e c o n d e n s e e r d e p r o d u c t e n : M E K . s e c . b u t a n o l , HgO a c e t o n en b u t e e n s t a a n nu e n k e l e a l t e r n a -t i e v e me-thoden -t e r b e s c h i k k i n g .

Het b i n a i r e s t e l s e l s e c . b u t a n o l - M E K i s v e r r e v a n i d e a a l en een s c h e i d i n g door d e s t i l l a t i e i s dan ook m o e i l i j k . De s c h e i d i n g w o r d t g e c o m p l i c e e r d e r d o o r de a a n w e z i g h e i d v a n w a t e r . D i t

v e r o o r z a a k t n.1. b i n a i r e a z e o t r o p e n met b e i d e componenten:

MEK-H20 k p t . 73,4 °C. (min.) e n s e c . b u t a n o l - H20 , k p t . 87,3 ° C

(sec.BuOH 99,5 ° C . ) , t e r w i j l ook een t e r n a i r e a z e o t r o o p

MEK-H20-BuOH ( r e s p . 8 7 - 1 1 , en 2 gew.%) met e e n k p t . v a n 73,2

k a n worden gevormd.

De t o e v o e g i n g v a n w a t e r aan h e t k e t o n - a l k o h o l s y s t e e m h e e f t e c h t e r ook e e n f l i n k e toename v a n de r e l a t i e v e v l u c h t i g h e i d t o t g e v o l g . E r w o r d t d a n ook v o o r g e s t e l d (24) om h e t b i n a i r e s y s t e e m d.m.v. e x t r a c t i e v e d e s t i l l a t i e met w a t e r t e s c h e i d e n . E r r e s t e n dan e c h t e r 2 b i n a i r e s y s t e m e n met HgO. Het s y s t e e m a l k o h o l - w a t e r w o r d t dan g e s c h e i d e n d o o r e e n a z e o t r o p i s c h e d e s t i l l a t i e , met diïso-b u t y l e e n a l s e n t r a i n e r , u i t t e v o e r e n . (25) o f d o o r e x t r a c t i e

met b e n z e e n • ( 2 6 )

Voor de s c h e i d i n g v a n MEK e n HgO k a n g e b r u i k gemaakt worden v a n e e n u i t z o u t - m e t h o d e (27) met Ha C l o f C a C I g , e x t r a c t i e v e

d e s t i l l a t i e m.b.v. b u t y l c e l l o s o l v e ( 2 5 ) , o f d o o r d e s t i l l a t i e onder h o g e r e d r u k ( 2 9 ) .

Van a l deze methoden i s de l a a t s t e h e t g o e d k o o p s t e n h e t e e n v o u d i g s t , omdat h i e r v o o r geen e x t r a c t i e m i d d e l e n e t c . v e r l a n g d worden. W i j z u l l e n deze s c h e i d i n g s m e t h o d e d a n ook g e b r u i k e n , e c h t e r z o n d e r de e x t r a c t i e v e d e s t i l l a t i e v a n h e t a l k o h o l k e t o n -s y -s t e e m . I n h e t m e n g s e l v a n de g e c o n d e n s e e r d e r e a c t i e p r o d u c t e n i s n.1. r e l a t i e f s l e c h t s w e i n i g w a t e r a a n w e z i g . Van de d r i e m o g e l i j k e a z e o t r o p e n i n h e t t e r n a i r e s y s t e e m HgO-MEK-BuOH hebben de b i n a i r e MEK-H^O- en de t e r n a i r e a z e o t r o o p de l a a g s t e k o o k p u n t e n

16

( r e s p . 73,4 en 73,2 ° C . ) . B i j een n o r m a l e r e c t i f i c e r e n d e d e s -t i l l a -t i e z a l dus b e h a l v e a c e -t o n en b u -t e e n , a l l e w a -t e r o v e r de t o p g a a n , h o o f d z a k e l i j k a l s b i n a i r e MEK-HgO-azeotroop. De k o l o m k a n dan dus e e n v o u d i g b e r e k e n d worden op de s c h e i d i n g v a n de overmaat MEK-sec.BuOH, d i e , h o e w e l m o e i l i j k , t o c h g o e d k o p e r g a a t dan v i a bovengenoemde omwegen.

De a l k o h o l v e r l a a t dus de kolom a l s bodemproduct en k a n i n dampvorm g e r e c y c e l d worden n a a r de v o e d i n g s o v e r v e r h i t t e r . B i j een temp. v a n 70°C. i n de c o n d e n s o r , z a l w a t e r en m e t h y l e t h y l k e t o n c o n d e n s e r e n , t e r w i j l b u t e e n en a c e t o n , a l s s p u i i n dampvorm de c o n d e n s o r v e r l a t e n . Het w a t e r - k e t o n m e n g s e l w o r d t nu g e s c h e i d e n i n een v o l g e n d e d e s t i l l a t i e k o l o m . De s a m e n s t e l l i n g v a n de m i n - a z e o t r o o p MEK-H20 v e r a n d e r t

met de d r u k . B i j 1 a t a l i g t h e t w a t e r g e h a l t e nog 4uis" t beneden

de o p l o s b a a r h e i d s g r e n s . B i j toename van de d r u k neemt h e t w a t e r g e h a l t e v a n de a z e o t r o o p t o e ; op een gegeven moment g a a t

ontmenging i n de v l o e i s t o f f a s e o p t r e d e n , en i s dus een h e t e r o a z e o t r o o p o n s t a a n .

V o l g e n s d o o r E s s o v e r r i c h t t e m e t i n g e n (29) i s h e t v e r l o o p :

Druk i n mm.Hg. K p t . G. G-ew. %H90 i n d e s t i l l a a t .

B i j v e r h o g i n g v a n d r u k t r e e d t een s n e l l e r e d e h y d r a t a t i e op. E r o n t s t a a t een k e t o n r i j k e b o v e n l a a g (12,1 gew.^HgO) en een

w a t e r r i j k e l a a g (6,5 m o l $ MEK.93,5 m o l $ HgO). Door deze w a t e r -r i j k e l a a g a f t e v o e -r e n en de k e t o n -r i j k e l a a g t e -r e f l u x e n k a n op e e n v o u d i g e w i j z e een s c h e i d i n g t u s s e n HgO en MEK worden u i t -g e v o e r d . M e t h y l e t h y l k e t o n v e r l a a t a l s bodemproduct de k o l o m . Om een r e d e l i j k e r e f l u x v e r h o u d i n g t e behouden en t o c h geen a l t e hoge pompkosten, en i n v e s t e r i n g s k o s t e n v o o r z w a a r d e r e m a t e r i -a l e n t e k r i j g e n , w o r d t een d r u k v -a n 2 -a t -a t o e g e p -a s t . 767,8 940,8 1021,8 1242,8 74.0 79,3 82.1 88,0 b i j deze 2 d r u k k e n homogeen d e s t i l l a a t , t r o e b e l i n g (=35,0 mol.%) ( s c h e i d i n g i n 2 f a s e n ) 12,1 12,5

I n h e t bodemproduct z i j n i n h e t algemeen v e r o n t r e i n i g i n g e n a a n w e z i g . Door p l a a t s e l i j k e o v e r v e r h i t t i n g i n de r e b o i l e r kunnen n a m e l i j k p o l y m e r i s a t i e p r o d u c t e n e t c . gevormd worden.

Daarom w o r d t i n een d e r d e d e s t i l l a t i e k o l o m een p r o d u c t z u i v e r i n g u i t g e v o e r d . MEK w o r d t na de c o n d e n s a t i e g e k o e l d i n een d u b b e l e b u i s w a r m t e w i s s e l a a r , en i s dan a l s v l o e i s t o f v a n 20°C. g e r e e d v o o r t r a n s p o r t . 9/ M a t e r i a a l b a l a n s . Voor de p r o d u c t i e v a n 5000 kg MEK/uur i s n o d i g : 5000 . . j o l . BuOH/uur = 72,24 x 74,10 = 5347 k g / u u r . 72,10 x 0.96 Voor v e r v a n g i n g v a n t i j d e n s p r o c e s g a n g v e r l o r e n geganë a l k o h o l : 50 k g / u u r . De v e r s e i n v o e r b e d r a a g t dus 5397 k g . BuOH/uur. ( S t r o o m ( a ) , z i e t e k e n i n g ) . Na v e r w a r m i n g en v e r d a m p i n g w o r d t h i e r a a n t o e g e v o e g d de r e c y c l e d i e 544 k g . b e d r a a g t . De t o t a l e s t r o o m n a a r de o v e r v e r h i t t e r w o r d t d u s : 5941 k g BuOH/uur. ( b ) .

U i t de r e a c t o r komt ( c ) 8,02 k g m o l . BuOH/uur. ^ - - \oy

V e r d e r x 72,18 = 6 9, 2 9 kgmo1.MEK/uur. = 5000 kg/uur. 100 6 9, 2 9 kgmol.H2/ u u r . 1,45 k g m o l . b u t e e n / u u r . K p t -6,5 C. 1,45 k g m o l . H20 / u u r . » 100° C. ; . 1,45 k g m o l . a c e t o n / u u r - 56,1 C. !/r*£ , 1,45 kgmol.CH. / u u r . ' ij*J? t Na k o e l i n g i n een w.w. en een g a s k o e l e r w o r d t d i t m e n g s e l *,,^^u'n b i j 100°C. i n g e v o e r d i n een w a t e r g e k o e l d e c o n d e n s o r . V^? ^ I n deze c o n d e n s o r v i n d t g e d e e l t e l i j k e c o n d e n s a t i e en g a s

-k o e l i n g t o t 40°Cplaats. Hoewel qua a c e t o n t w i j f e l a c h t i g , w o r d t

t o c h aangenomen, d a t H20 , a c e t o n en BuOH b i j 40°C. v o l l e d i g

z i j n g e c o n d e n s e e r d , en a l s v l o e i s t o f deze c o n d e n s o r v e r l a t e n .

De dampdruk v a n MEK. b i j 40 C. i s 200 mm. P e r mol damp d i e de j/ Vav v'

w a t e r g e k o e l d e c o n d e n s o r v e r l a a t w o r d t een m o l f r a c t i e Y meege-v o e r d . B i j e e n t o t a a l d r u k meege-v a n 1 a t a i s = = 26,3 m o l $ .

760 . , l V W B i j een s e l e c t i v i t e i t v a n 96$ w o r d t dus i n de dampfase

per mol g e p r o d u c e e r d e MEK a f g e v o e r d : — - x 26,3 = 27,4 m o l $ , , . «

72,6 9 6

en e r c o n d e n s e e r t dus x 5000 = 3630 k g MEK/uur. 100

18 -V l o e i s t o f s t r o o m (d) b e v a t d u s : 3630 k g MEK/uur. 26,1 k g H2O / u u r . 594 k g BuOH/uur. 84 k g a c e t o n / u u r .

B i j een gem. d i c h t h e i d : p = 0,800 g e e f t d i t een v l o e i s t o f -4334 '

s t r o o m v a n = 5418 1/uur. 0,8

H i e r i n i s ook H9 o p g e l o s t . A a n g e z i e n geen gegevens b e s c h i k

-t f "J

b a a r z i j n v o o r de o p l o s b a a r h e i d v a n H2 i n MEK, w o r d t g e b r u i k jw*"f j j ^

gemaakt v a n de Bunsenabsorptiecoëfficient (oC) v o o r H2 i n a c e t o n .

B i j 40° C. i s 1 05c U 80. E r l o s t dus 80 x 1 0 "5 volume g a s / v o l . 4 * % -"" ib'r' v l o e i s t o f op a l s PTT = 760 mm. i E r l o s t dus op: x 80 x 1 0 "5 x 5418 = 312 N 1 H2/ u u r . 1 0 0 = 0 , 0 1 4 kgmo1/uur. De dampstroom ( e ) b e v a t : 69,28 k g m o l . H2/ u u r = 138,56 k g / u u r . 1370 k g MEK/uur. / fyt, J 81 k g b u t e e n / u u r . ' / 24 k g C H4, W . I n de v o l g e n d e c o n d e n s o r d i e met f r e o n - x 2 w o r d t t o t -20 C. t r e e d t opnieuw c o n d e n s a t i e op. De dampspanning v a n MEK" b i j

-20°C. i s 8 mm.

V a n u i t deze c o n d e n s o r w o r d t dus i n de dampfase a f g e v o e r d : 100 8

x = 1,1 m o l $ v a n de t o t a a l g e p r o d u c e e r d e h o e v e e l h e i d 96 760

MEK. E r g a a t dus i n de dampstroom ( f ) b e h a l v e H2 t e r u g n a a r de

r a f f i n a d e r i j : 55 k g MEK/uur. en 24 k g CH^/uur.

E r c o n d e n s e e r t : 81 k g b u t e e n / u u r en 1315 kg MEK/uur.

I n deze v l o e i s t o f l o s t ook H2 op: 10 <X = 25

E r l o s t op: 25 x 1 0 ~5 x = 40 N 1 H2/ u u r = 0,002 k g m o l .

81 k g b u t e e n / u u r , 1315 k g MEK/uur e n 0,004 k g H2/ u u r . De v e r m i n d e r i n g v a n de Hg i n de g a s s t r o o m i s h i e r dus v e r -w a a r l o o s b a a r k l e i n . De v l o e i s t o f s t r o m e n ( d ) en (g) worden samengevoegd t o t ( h ) en gaan na voorgewarmd t e z i j n a l s v o e d i n g n a a r de e e r s t e d e s t i l l a t i e k o l o m . S t r o o m ( h ) b e v a t : 4945 k g MEK/uur 26,1 kg HgO/uur = 1,45 k g m o l / u u r 594 kg Bu0H/uur= 8,02 " " 84 kg a c e t o n / u u r 81 kg b u t e e n / u u r 0,064 kg Hg/uur. Stroom ( j ) v e r l a a t a l s s p u i de c o n d e n s o r , e n b e v a t a l l e a c e -t o n en b u -t e e n . De s a m e n s -t e l l i n g v a n de a z e o -t r o o p MEK-HgO i s b i j 1 a t a . r e s p . 88,8 en 11,2 gew.$. A l s d e e l v a n de a z e o t r o o p g a a t dus o v e r de t o p : - x 26,1 = 207 k g MEK/uur. 1 : L'2 Gerekend a l s b i n a i r s y s t e e m s e c . BuOHMEK b e s t a a t de v o e -d i n g -dus u i t e e n s t r o o m v a n 594 k g a l k . en 4738 k g MEK/uur. De s a m e n s t e l l i n g v a n de b i n a i r e v o e d i n g s s t r o o m i s : §A°2 =10,9 m o l $ a l k . en 89,1 m o l $ k e t o n . 8,02 + 65,72 De k o l o m w o r d t b e r e k e n d v o o r e e n 9 9 $ i g e z u i v e r h e i d v a n bodem- e n t o p p r o d u c t . Met de a l k o h o l w o r d t dus a f g e v o e r d :

0,08 kgmol MEK/uur ( v e r w a a r l o o s b a a r ) , t e r w i j l o v e r de t o p met h e t k e t o n meegaat 0,66 kgmol s e c . b u t a n o l / u u r = 50 k g / u u r .

De t o p p r o d u c t s t r o o m ( k ) b e s t a a t d a n u i t : 4945 k g MEK/uur

50 k g b u t a n o l / u u r

26,1 k g H20 / u u r .

V i a de voedingspomp en een voorwarmer w o r d t d i t mengsel onder 2 a t a i n g e v o e r d i n de tweede d e s t i l l a t i e k o l o m . H i e r g a a t a l l e w a t e r a l s MEKHgOazeotroop o v e r de t o p . Na t o t a l e c o n d e n -s a t i e , en o n t m e n g i n g i n e e n -s e p a r a t o r w o r d t de w a t e r r i j k e f a -s e a f g e v o e r d : de M E K - r i j k e l a a g w o r d t g e r e f l u x t .

20

-V o l g e n s E s s o (29) i s b i j 2 a t a de s a m e n s t e l l i n g van de a z e o t r o o p 38,5 m o l $ HgO en 61,5 mol % MEK. Na o n t m e n g i n g w o r d t de samen-s t e l l i n g van de r e samen-s u l t e r e n d e f a samen-s e n : ( i n mol.$) 3 5 $ H20 - 6 5 $ MEK, en 93,5 $ H20 - 6 , 5 $ MEK. Met de w a t e r r i j k e s p u i s t r o o m (1) v e r d w i j n t dus: 6,5 x 1,45 x 72,10 = 7,3 kg MEK/uur. 93,5 De k e t e l p r o d u c t s t r o o m (m) b e s t a a t dus u i t : 4938 kg MEK en 50 kg a l k o h o l / u u r .

Fa een r e d u c t i e van 1 a t a m.b.v. een s m o o r k l e p w o r d t d i t m e n g s e l i n g e v o e r d i n de p r o d u c t z u i v e r i n g s k o l o m .

B e h a l v e deze twee componenten z u l l e n ook wat z w a a r d e r e

p r o d u c t e n ( o n t s t a a n d o o r p o l y m e r i s a t i e r e a c t i e s i n de r e b o i l e r ) a a n -w e z i g z i j n . We s t e l l e n d a t de z-ware p r o d u c t e n beschou-wd mogen

worden a l s t e z i j n een e n k e l a l i p h a t i s c h k e t o n met een k o o k p u n t v a n 150° C. Een d e r g e l i j k k e t o n h e e f t b i j 80° C. een dampspanning van + 75 mm. D i e van MEK i s d a a r + 760 mm.

I n d i e n we h e t m e n g s e l i d e a a l beschouwen en met een c o n s t a n t e r e l a t i e v e v l u c h t i g h e i d , i s ö(. + 10.

We s t e l l e n a l s e i s aan h e t m e t h y l e t h y l k e t o n een z u i v e r h e i d van 99,8%.

Het bodemproduct w o r d t a l s s p u i a f g e v o e r d . We e i s e n h i e r v o o r d a t h e t een m i n s t e n s 5 0 % i g e o p l . van zware p r o d u c t e n (+ b u t a n o l )

i n MEK. i s . A l s 2 <fo van de MEK p o l y m e r i s e e r t i s dus ook 2 fo a l s

o p l o s m i d d e l n o d i g . A l s p r o d u c t s t r o o m v e r l a a t dus de f a b r i e k : (n) ^ 96 x 4938 = 4740 kg MEK/uur. " 100 A l s s p u i s t r o o m (p) per u u r : N4V ^^X**^

99 kg MEK, 50 k g s e c . b u t a n o l , en 99 kg zware p r o d u c t e n . ikl" I n d i e n g e w e n s t , kan h i e r u i t nog MEK worden gewonnen, maar d i t

M a t e r i a a l s t r o m e n i n k g / s e c . S t r o o m T o t a a l BuOH MEK H20 H2 G H4 A c e t o n a 1,500 1,500 b 1,650 1,650 c 1,650 0,165 1,389 0,007 0, 0 3 9 0,007 0, 0 1 9 d 1, 1 9 9 0,165 1,008 0,007 0, 0 1 9 e 0,451 0,381 0, 0 3 9 0,007 f 0,061 0,015 0, 0 3 9 0,007 g 0, 3 9 0 0,366 h 1,589 0,165 1,374 0,007 0,019 j 0,043 0,019 k 1,395 0,014 1,374 0,007 1 0,009 0,002 0,007 m 1,386 0,014 1,372 n 1,317 1,317 P 1,069 0,014 0,028 + zware p r o d u c t e n . B u t e e n 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 Warmtestromen: I n de l i t e r a t u u r werden de v o l g e n d e v e r d a m p i n g s w a r m t e n en s o o r t e l i j k e wärmten g e v o n d e n : V e r d a m p i n g s w a r m t e n : s e c . B u t y l a l k o h o l MEK H20 CH,C0CH, 3 3 S o o r t e l i j k e warmten Cƒ3 V l o e i s t o f f a s e s e c . BuOH MEK H20 ACETON 1 3 4 , 3 8 c a l / g r . 1 0 5 , 9 2 » " 5 3 9 , 5 5 " 1 2 4 , 5 " " 0,655 c a l / g r . 0,531 " " 1 " ' i 0,506 » "

22 -ü Cp G a s f a s e : C H4 b i j 25°C: 0,532 c a l / g r 200°C: 0,670 400°C: 0,844 c a l / g r . Buteen-1 " 0,354 " " 0,544 " 0,685 " A c e t o n " 0,316 " " 0,439 " 0,552 " H20 110°C: 0,418 " " 0,469 " 0,490 " H2 b i j 100°C: 28,58 J o u l e / g m o l . b i j 200°C: 29,21 J o u l e / g m o l . b i j 400°C: 29,80 Joule/ömol. s e c . b u t a n o l b i j 164°C: 37,5 cal/mol.°C. M e t h y l e t h y l k e t o n b i j 1 3 7 ° C 29,8 cal/mol.°C. A a n g e z i e n de t e m p e r a t u u r s a f h a n k e l i j k h e i d v a n de v o o r s e c . b u t a n o l n i e t bekend i s , w o r d t deze b e r e k e n d v o l g e n s de door D o b r a t z ( l i t . 3 0 ) gegeven methode. B i j deze w e r k w i j z e e v a l u e e r t men de c o n s t a n t e n u i t de E i n s t e i n - v e r g : 2 C p = A + B T + C T d o o r b e r e k e n i n g v a n de a d d i t i e f v e r o n d e r -s t e l d e b i j d r a g e n v a n de v a l e n t i e - f c i n d i n g -s f r e q u e n t i e -s e n de r o t a t i e s b i n n e n h e t m o l . v o l g e n s de v e r g . H i e r i n i s a h e t a a n t a l b i n d i n g e n i n de k e t e n d i e v r i j e r o t a t i e s t o e s t a a n , E i s g a s c o n s t a n t e i n c a l / m o l , n = h e t a a n t a l atomen p e r m o l , q^ = a a n t a l b i n d i n g e n v a n i - t y p e . en ? i j n E i n s t e i n - f u n c t i e s v o o r een gegeven v e r b i n d i n g d i e k a r a k t e r i s t i e k e f r e q u e n t i e s en ^ h e e f t . Na b e r e k e n i n g v o l g t v o o r s e c . b u t a n o l d a m p : ( CV) 0 = - 26,04 + 94,55 x 1 0 "3 T - 35,46 x 1 0 "6 T2. Nu i s : 81 P Tc ,

( Op W <

C

*W

E

(

1 +

i r < T " >

3

>

C De k r i t i s c h e temp. en d r u k z i j n r e s p . 558,3°K. en 62,7 a t a . Na o m r e k e n i n g v o l g t v o o r een temp. v a n 673°K; C = 46,8 c a l / m o l0. C A a n g e z i e n v o o r MEK de k r i t i s c h e t o e s t a n d s g r o o t h e d e n n i e t bekend z i j n , nemen we a a n ^ d a t de t e m p . a f h a n k e l i j k h e i d v a n de C d e z e l f d e i s a l s d i e v a n a c e t o n w a a r v o o r de v e r g . g e l d t :

2,4 x 1 07 , -6 2 ( C ) ^ 1 = + 54,01 x 10 T - 18,43 x 10 1 ; >'0 4 p p= i ~j~ J Voor 1 a t a i s b i j 410°K. Cp ^ = 2 9 , 1 , Cp Ac et on= 20,1 Na o m r e k e n i n g v o l g t : Cp = 43,3 c a l / m o l °G. b i j 400°C. B e r e k e n i n g w a r m t e s t r o m e n : De v e r s e v o e d i n g w o r d t i n e e n w a r m t e w i s s e l a a r opgewarmd v a n 20 t o t 98°C. H i e r v o o r i s n o d i g : dy = 78 x 0,655 x 1,500 x 4,187 = 32 1KW. V e r v o l g e n s w o r d t de s e c . b u t a n o l b i j 99,5° v e r d a m p t m.b.v. c o n d e n s e r e n d e stoom: Pw2 = (1»500 x 4,187 x 134,38) + 8,4 = 8 5 3 KW.

Na menging met de a l k o h o l - r e c y c l e w o r d t deze dampstroom d.m.v. r o f f i n o d o r i g - g a s o v e r v e r h i t v a n 99,5 t o t 400 C. Cp v o o r BuOH i s gem. b i j 250°C : 41,88 c a l / m o l °0. 1,65 x 4,187 x 300,5 x 41,88 0 t a = = i : L7 3 KW. 74,12 De dampstroom w o r d t n u b i j 400°C i n de b u i s r e a c t o r g e l e i d en m.b.v. raf'finadoffii-g-gas op d i e temp. gehouden.

Toegevoegd moet dus worden de r e a c t i e w a r m t e . Deze b e d r a a g t v o l g e n s K o l b en B u r w e l l (23) b i j 400°C: 14790 c a l / m o l .

B i j e e n c o n v e r s i e v a n 90$ i s d u s : , 72,18 x 14790 x 4,187

?w4 = = 1 2 4 2 K W '

/ w 4 3600

Nadat de r e a c t i e g a s s e n de r e a c t o r hebben v e r l a t e n worden ze e e r s t g e k o e l d i n t e g e n s t r o o m met de inkomende v l o e i s t o f :

%

-

3 2 1 KW De gastemp. a a n de i n l a a t = 400°C. S t e l AT= 400 - T i t= X ° C « A f g e s t a a n w o r d t u i t : 1,389 x 43,3 x 4,187 MEK X = 4,297 X. KW. 72,10

BuOH 24 -0,165 x 46,8 x 4,187 74,12 X = 0,435 x. KW. H20 0,007 x 0,490 x 4,187 X = 0,014 X. KW. B u t e e n 0,024 x 0,685 x 4,187 X = 0,069 X. KW. X = 0,573 X. KW. H 6 912 9 _ x _ 2 9A8 0 3600 A c e t o n 0, 5 5 2 x 0,019 x 4,187 X =_0±044_X^_KW. 0w = 321 KW. = 5,432 X. KW. X = 59 0. T . , i s dus 341 C. U I u Met k o e l w a t e r w o r d t h e t gas v e r v o l g e n s a f g e k o e l d v a n 341 t o t 100°C. Voor de b e r e k e n i n g v a n Ó worden de C 's gem.

w P b i j 200 C. genomen. B e n o d i g d e warmte v o o r k o e l i n g v a n : 734,4 KW. 95,5 3,4 15,5 137,7 8,6 MEK BuOH H20 B u t e e n H2 A c e t o n . w5 i s t o t a a l 993 KW. H i e r n a w o r d t met w a t e r g e k o e l d t o t 40 C en g e d e e l t e l i j k g e c o n d e n s e e r d . D a a r b i j moet aan warmte worden a f g e v o e r d

u i t : MEK Dcmpkoeling 58,4 KW. C o n d e n s a t i e 447,2 i i V l o e i s t o f k o e l i n g 89,7 i i s e c . B u O H C o n d e n s a t i e 92,9 i i V l o e i s t o f k o e l i n g 27,2 t i H20 C o n d e n s a t i e 16,4 t i V l o e i s t o f k o e l i n g 1,8 i i CH, G a s k o e l i n g 1,2 i i

B u t e e n 4,5 KW. A c e t o n C o n d e n s a t i e 12,2 " D a m p k o e l i n g 5,8 " H2 33,7 " T o t a a l 0, 791 KW. wb De v o l g e n d e condensoa? w o r d t met F r e o n - 1 2 , d i e b i j -30°C v e r d a m p t , t o t -20°C. g e k o e l d . B e n o d i g d v o o r k o e l i n g v a n : H2 C H4 B u t e e n MEK C o n d e n s a t i e V l o e i s t o f 32,3 KW. 1,2 1! 10,8 l t 162 !! 49,9 I I 260 KW. 0^rj i s t o t a a l De v l o e i s t o f s t r o m e n (d) en (g) hebben r e s p . t e m p e r a t u r e n v a n +40 en -20°C. Om de v o e d i n g a l s v l o e i s t o f op k o o k p u n t (+80°) i n t e v o e r e n i n de e e r s t e d e s t i l l a t i e k o l o m i s n o d i g : #w8 "2 2 0 KW' C o n d e n s a t i e w a r m t e e e r s t e kolom. De temp. i n de c o n d e n s o r v a n deze k o l o m i s 7 3 ° C De b e r e k e n i n g v a n deze d e s t i l l a t i e kolom v i n d t p l a a t s v o l g e n s de g r a f i s c h e methode v a n Mc C a b e - T h i e l e . I n h e t d i a g r a m ( f i g . 2 ) s n i j d t de b o v e n s t e w e r k l i j n v a n de yas h e t s t u k = 0,2 a f . A l s we aannemen d a t de s a m e n s t e l -l i n g v a n h e t t o p p r o d u c t i s +100%, ié dus 1 = o,2 en E (de r e f l u x v e r h o u d i n g ) i s 4. De r e f l u x s t r o o m i s R+l dus 4 x zo g r o o t a l s de t o p p r o d u c t s t r o o m .

De a f t e v o e r e n warmte i n de c o n d e n s o r i s dan g e l i j k aan 5 x de c o n d e n s a t i e w a r m t e v a n de p r o d u c t s t r o o m ( k )

0w g « (6,975 x 105,93 + 0,070 x 134,38 + 0,035 x 539,5)x4,187

Warmtebalans om l e k o l o m .

A l s s t a n d a a r d t e m p . v o o r de e n t h a l p i e w o r d t gekomen de condensor-temp. 73°C. Be k e t e l t e m p . i s 99,5° en de condensor-temp. van de v o e d i n g 80°C. A f g e v o e r d e warmte: A l s bodemproduct v e r l a a t de k e t e l : 0,151 k g BuOH-damp/sec. Aan verd.warmte v e r d w i j n t 0,151 x 4,187 x 134,38 = 85 KW. E n t h a l p i e v e r s c h i l v l o e i s t o f t . o . v . s t a n d a a r d t e m p : 0,151 x 4,187 x 26,5 x 0,655 = 11 KW. Aan c o n d e n s a t i e w a r m t e 3198 KW. T o t a a l a f g e v o e r d e warmte 3294 KW. Toegevoerde warmte: V o e d i n g v a n 80°C: 0,165 k g / s e c . BuOH 2,9 KW. 1,374 " " MEK 21,4 " 0,007 " " H20 0,2 0,019 " " A c e t o n 0,3 0,024 " " B u t e e n 0,2 i t l i 25 KW. Aan de k e t e l moet dus worden t o e g e v o e r d :

0 wl o = 3294 - 25 = 3269 KW.

B i j de b e r e k e n i n g van de k o l o m v o l g e n s de methode v a n McCabeT h i e l e l i g t , b i j een b e p a a l d e r e f l u x v e r h o u d i n g ook de r e b o i l e r -v e r h o u d i n g -v a s t , en daarmee de b£*de w a r m t e s t r o m e n i n c o n d e n s o r en k e t e l .

U i t h e t d i a g r a m ( f i g . 2 ) v o l g t een r e b o i l e r v e r h o u d i n g L' 41

- ín t o t a a l moet dus verdampt worden:

&1 40

D i t zou aan warmte k o s t e n

41 x 0,151 x 134,38 x 4,187 = 3483 KW.

B i j deze methode w o r d t e c h t e r b e h a l v e a d i a b a t i s c h e w e r k i n g en u n i f o r m e temp., aangenomen d a t de m o l a i r e v e r d a m p i n g s w a r m t e n v a n de t e s c h e i d e n componenten g e l i j k z i j n . Hoewel e r i n ons g e v a l n i e t v e e l v e r s c h i l i s , i s de m o l a i r e van de a l k o h o l t o c h

g r o t e r . E r verdampt dus i n de k o l o m p e r mol c o n d e n s e r e n d e a l k o h o l , meer dan 1 mol k e t o n , en e r i s m i n d e r k e t e l w a r m t e n o d i g dan op deze m a n i e r b e r e k e n d . K l a a r b l i j k e l i j k k a n d i t b i j g r o t e

r e b o i l e r v e r h o u d i n g e n a a n m e r k e l i j k e v e r s c h i l l e n o p l e v e r e n . '

Het condensatieprodüct ( k ) w o r d t v i a een b u f f e r v a t en een

pomp o n d e r een d r u k v a n 2 a t a . i n g e v o e r d i n de v o l g e n d e d e s t i l l a t i e -k o l o m . De c o n d e n s a t i e t e m p . was 73 C. De s a m e n s t e l l i n g v a n s t r o o m ( k ) i s i n grammolen/sec.: 0,19 s e c b u t a n o l , 0,39 HgO en 19,08 MEK. De kooktemp. van d i t m e n g s e l w o r d t a l s v o l g t b e r e k e n d : Omdat de k o o k p u n t e n v a n s e c . BuOH en w a t e r z e e r w e i n i g v e r s c h i l l e n (o,5°) w o r d t v e r o n d e r s t e l d d a t d i t k p t . g e l i j k i s , aan d a t v o o r een m e n g s e l met een s a m e n s t e l l i n g v a n 0,58 mol w a t e r en 19,08 mol MEK (97,0 mol^MEK.)

Voor een d e r g e l i j k m e n g s e l i s v o l g e n s K o g a n - P r i d m a n ( l i t . 3 1 ) b i j 1 a t a . h e t k p t . 77°C. en b i j 3,4 a t a . 121°C.

U i t i n t e r p o l a t i e v o l g t v o o r 2 a t a : 9 5 ° C

p

I n de voorwarmer v o o r de 2 k o l o m moet dus worden t o e g e v o e r d : v o o r : MEK 1,374 x 22 x 0,531 x 4,187 = 70,3 KW. BuOH 0,014 x 22 x 0,655 x 4,187 = 0,9 " H20 0,007 x 22 x 1 x 4,187 = 0,7 " = 0 t o t a a l 72 KW. n w l l C o n d e n s a t i e w a r m t e 2e k o l o m . De r e s u l t a n t e v a n de dampstroom op de b o v e n s t e s c h o t e l

(samenst. i n m o l % 37,0 HgO, 63,0 MEK) en de r e f l u x (35%H20-65%MEK),

28

-"Een m a t e r i a a l b a l a n s om de s e p a r a t o r l e v e r t ons de r e f l u x n a a r de k o l o m :

A l s e r 100 mol dampmengsel o v e r de t o p komt, i s de t o e v o e r 63 mol MEK en 37 mol HpO.

A f v o e r : X mol HgO ( r e f l u x ) e n 37 - X mol s p u i Y mol MEK ( r e f l u x ) en 63 - Y mol s p u i

X 35 37 - X 93,5 Y 65 63 - Y 6,5 D i t g e e f t X = 33,8 en Y = 62,8 De s p u i s t r o o m b e v a t 1,45 kmol HpO/uur. D a a r v o o r i s dus n o d i g een s t r o o m v a n 1,45 x -¡00 = 45,3 kmol dampmengsel/uur. 37,0 - 33,8 Aan c o n d e n s a t i e w a r m t e i s n o d i g : 45,3 x 0, 6 3 x 72,10 x 105,93 x 4,187 = 2 54 KW v o o r MEK 3600 45,3 x 0,37 x 13 x 539,55 x 4,187 = 190 KW v o o r H90 3600 d * W = 44 4 m -De temp. i n de c o n d e n s o r i s 90° C. W a r m t e b a l a n s om de tweede k o l o m . Ook h i e r w o r d t de c o n d e n s o r t e m p . a l s s t a n d a a r d t e m p e r a t u u r g e k o z e n . De k e t e l t e m p . i s 9 7 ° C. A f g e v o e r d e warmte: I n c o n d e n s o r 444 KW I n k e t e l p r o d u c t : 1,372 x 0,531 x 7 x 4,187 = 22 KW. T o t a a l a f g e v o e r d 466 KW. T o e g e v o e r d i n v o e d i n g : 5 — x 72 = 16 KW. 22 De t o e t e v o e r e n k e t e l w a r m t e i s dus 450 KW. (^y)^,)

1 a t a w o r d t de v l o e i s t o f i n de d e r d e kolom i n g e v o e r d . De k o o k -t e m p e r a -t u u r v a n h e -t m e n g s e l i s h i j 1 a -t a 80°C. E r z a l dus

v e r d a m p i n g o p t r e d e n t o t een temp. v a n 80° i s b e r e i k t . Voor v e r d a m p i n g v a n 1 k g MEK i s n o d i g de a f k o e l i n g v a n 105,93 = 11,74 k g v l o e i s t o f . Het p e r c e n t a g e v e r d a m p i n g 17 x 0,531 b e d r a a g t 8,52$. U i t h e t e v e n w i c h t s d i a g r a m ( f i g . 4 ) b l i j k t d a t v o o r de v e r e i s t e z u i v e r h e i d geen r e f l u x n o d i g i s . Om h e t a a n t a l t h e o r e t i s c h e s c h o t e l s t e v e r k l e i n e n w o r d t t o c h R = 0,1 g e k o z e n . De h o e v e e l h e i d t e c o n d e n s e r e n damp i s dus 1,1 x de p r o d u c t s t r o o m , en de v r i j k o m e n d e c o n d e n s a t i e w a r m t e : 0 w U = 1,1 x 1,317 x 105,93 x 4,187 = 645 KW. Warmtebalans om de d e r d e k o l o m . De c o n d e n s o r t e m p . ( s t a n d a a r d ) i s 79,6°, d i e v a n de v o e d i n g 80°C. A l s k e t e l t e m p e r a t u u r w o r d t 110°C aangenomen, t e r w i j l w o r d t v e r o n d e r s t e l d d a t h e t k e t e l p r o d u c t een g e m i d d e l d e s o o r t e l i j k e warmte h e e f t v a n 0,6 c a l / g r a m . A f g e v o e r d e warmte: K e t e l p r o d u c t 0,6 x 30 x 0,069 x 4,187 = 5,2 KW. Condensor 645 KW. Toegevoerde warmte: Dampvormige v o e d i n g : 8 52 --- x 1,386 x 105,93 x 4,187 = 52,4 KW. 100 A l s k e t e l w a r m t e moet t o e g e v o e r d worden: 0 wl5 = 650 - 52 - 598 KW. T e n s l o t t e w o r d t i n een d u b b e l e - b u i s w a r m t e w i s s e l a a r h e t p r o d u c t g e k o e l d t o t 30°C. = 1»317 x 50 x 0,531 x 4,187 « 146 KW.

30

-jj B e r e k e n i n g en c o n s t r u c t i e van apparaten en kolommen.

B e r e k e n i n g W.W. V o e d i n g / R e a c t i e g a s .

De i n g e v o e r d e a l k o h o l w o r d t e e r s t d o o r de p i j p e n van een warmte-w i s s e l a a r gepompt? om de p i j p e n s t r o m e n de r e a c t i e g a s s e n u i t de r e a c t o r . Het b e n o d i g d e p i j p o p p e r v l a k v a n de w.w. w o r d t g e g e v e n door

0

w 2 A = A i s opp. i n m . 0/ i s w a r m t e s t r o o m i n W a t t , ü. A T w en U i s de overallwarmteoverdrachtscoëfficient i n W/m2. °C. A T i s h e t l o g a r i t h m i s c h g e m i d d e l d e t e m p e r a t u u r s v e r s c h i l . De a l k o h o l w o r d t verwarmd van 2098°C, t e r w i j l de r e a c t i e -g a s s e n -g e k o e l d worden van 400 t o t 341°C. A TA - A TB 3 0 2 _ 3 2 1 Nu i s AT = = = 310°C. AT,/ 302 l o g A / A T-n l o g D 321

Voor een w a r m t e s t r o o m van een s t r o m e n d gas n a a r een stromende v l o e i s t o f g e e f t Kramers. ( 3 2 ) ; U i s 10-50. We k i e z e n U = 25. 321000 32100 2 Dan i s : A =

—

= = 42 m . 310 x 25 775 B i j g e b r u i k v a n p i j p e n met u i t w e n d i g e en i n w . d i a m . v a n r e s p . 32 en 25 mm. i s n o d i g = 540 m. p i j p l e n g t e . 0,0785

We nemen p i j p e n van 2 m en hebben dan 270 p i j p e n n o d i g .

De h a r t a f s t a n d v a n de p i j p e n i s 1,4 du = 45 mm ( s t e e k ) .

Voor een p i j p e n b u n d e l i s de h a r t a f s t a n d van de d i a m e t r a a l t e g e n

-o v e r e l k a a r g e l e g e n p i j p e n Dx = m x s t e e k , m i s a f h . van h e t

a a n t a l p i j p e n .

B i j 270 p i j p e n i s m = 17,3 en ^ = 17,3 x 45 = 779 mm. We m o e t e n h i e r b i j 2 x 1/2 p i j p d i a m e t e r en 2 x s t e e k o p t e l l e n om de minimum s h e l l - d i a m e t e r t e v e r k r i j g e n .

Ook moet e r r u i m t e a a n w e z i g z i j n om k e e r s c h o t t e n aan t e b r e n g e n , w a a r d o o r meerdere t u b e - p a s s e s m o g e l i j k worden.

Voor i e d e r e t u b e - p a s s w o r d t 10 mm b i j de s h e l l d i a m e t e r o p g e t e l d . Om een goede w a r m t e o v e r d r a c h t t e k r i j g e n , moet de s t r o m i n g

door en om de p i j p e n v o l l e d i g t u r b u l e n t z i j n . Voor Re 10000 i s n o d i g een 0m p e r p i j p v a n 520 1. a l k / u u r . 5400 A a n t a l p i j p e n per p a s s : 13 0,8 x 520 270 A a n t a l p a s s e s = 21 13 ' s h e l l i s d u s 7 7 9 + 32 + 90 + 210 D = 1150 mm. A a n t a l p i j p e n 21 x 13 = 273 L e n g t e p i j p e n 2000 mm. De d i a m e t e r van i n - en u i t l a a t s t o m p e n (en l e i d i n g e n ) w o r d t b e r e k e n d met een s t r o o m s n e l h e i d v a n een v l o e i s t o f v a n 3 m/sec., en v o o r g a s s e n en stoom.11 m/sec. b i j 1 a t a . Voor g a s s e n i s h e t gem. m o l g e w i c h t :

0 .

M. M 273 P M = -= =- en p = x x < W . ; 22 •4 T 7 6 0 0 = en de l e i d i n g d o o r s n e d e P = v - V P A l s r e s u l t a a t h i e r v a n : Dampinvoer D = 550 mm. Damp u i t D = 500 mm. Verdamper s e c . B u t a n o l - v o e d i n g : 0w 2 = 853 KW. T = 9 9 , 5 ° C

I n de verdamper i s een s t o o m k i s t a a n g e b r a c h t , waardoor p i j p e n v a n 25-32 mm. l o p e n . De v o e d i n g w o r d t v i a een h a r t p i j p onder de k i s t g e b r a c h t , en i n de p i j p e n v e r d a m p t . Om de p i j p e n c o n d e n s e e r t stoom v a n 130°C, (P = 2,75 a t a . ) 0w 853000 ? P i j p w a n d o p p . A = = = 16 ui (U = 1800) U. _ T 1800 x 30 1600 4 De p i j p l e n g t e i s 75 cm. daarom n o d i g x = 280 p i j p e n 7,85 3 E r z i j n geen p a s s e s . De d i a m e t e r van de s t o o m k i s t w o r d t 1000 mm. D i a m e t e r verdamper : 1150 mm. T o t a l e l e n g t e 4 m. D i a m e t e r s t o o m i n v o e r :

De c o n d e n s a t i e w a r m t e v . d . stoom i s 519,2 k c a l / k g . 853 N o d i g p e r s e c . = 0,375 k g stoom. = 519,2 x 4,187 668,2 x 0,375 = 250 l / s e c . V = 110 dm/sec. D = 180 mm. O v e r v e r h i t t e r .

I n de v o l g e n d e WW ( o v e r v e r h i t t e r ) w o r d t de damp samen met de r e c y c l e op de r e a c t i e t e m p . v a n 400°C g e b r a c h t . 0w 3 « 1173 KW. A l s verwarmende s t r o o m w o r d t i n de o v e r v e r h i t t e r en de r e a c t o r v e r b r a n d i n g s g a s g e b r u i k t u i t de r e g e n e r a t i e s e c t i e v a n een c a t . c r a c k e r , d a t b i j 600°C w o r d t i n g e v o e r d en b i j 475° a f g e v o e r d . T. w o r d t h i e r 280°C. De warmteoverdrachtscoëfficient v o o r 2 stromende g a s s e n 1173000 2 i s l a a g : ü = 4 0 . A = = 105 m = 1332 m. p i j p l e n g t e . 30 x 280 Om b i j de l a a g s t e temp. e e n g a s s n e l h e i d v a n 8 m/sec i n de p i j p e n t e k r i j g e n z i j n 240 p i j p e n / p a s s n o d i g . We nemen 222 p i j p e n v a n 6 m en hebben dan dus geen t u b e - p a s s e s .

D w o r d t 830 mm.

C o n s t r u c t i e v a n de r e a c t o r .

U i t de b e r e k e n i n g v a n de r e a c t o r v o l g t d a t 603 1 k a t a l y s a t o r n o d i g i s . De r e a c t i e w a r m t e 0 . = 1242 KW. A l s U ( g a s - k a t . b e d )

2 w o r d t 70 genomen. T = 130. Het p i j p w a n d o p p . i s dan 136,5 m . A l s c o n s t r u c t i e m a t e r i a a l v o o r de p i j p e n k a n g e b r u i k t worden C r - N i - s t a a l . ( A I S I 3 0 4 ) . De i n w e n d i g e p i j p d i a m e t e r i s 10 cm. U i t w e n d i g 110 mm. Inw. opp i s 0,314 m /m l e n g t e . ^ De t o t a a l b e n o d i g d e p i j p l e n g t e i s = 434 m. d.w.z. 0,314 73 p i j p e n v a n 6 m. l e n g t e .

m = 8,86 S t e e k t = 1,4 x 110 = 154 mm. = 8,886 x 154 = 1365 2 x i p i j p = 110 2 x s t e e k = 308 D i a m e t e r r e a c t o r w o r d t 2000 mm. , -, , T o t a l e i n h o u d v a n de p i j p e n 73 x 60 x x 1 = 3438 1, 4 De b e n o d i g d e k a t a l y s a t o r neemt dus 17$ v a n de p i j p i n h o u d i n , de

r e s t w o r d t o p g e v u l d met g l a s p a r e l s om van een goede w a r m t e o v e r d r a c h t v e r z e k e r d t e z i j n . I n de p i j p e n w o r d t a f w i s s e l e n d g l a s p a r e l s en k a t a l y s a t o r g e s t o r t i n e e n v o l u m e v e r h o u d i n g 5 : 1. w G-askoeler. De r e a c t i e g a s s e n worden na p a s s a g e v a n de voedings-W.W. b i j 341°C i n g e v o e r d i n een g a s k o e l e r . T ^ ^ i s 100°C. en 0 ^ = 993 KW. G e k o e l d w o r d t met k o e l w a t e r d a t een i n g a n g s t e m p . v a n 20°C en een max. u i t g a n g s t e m p . v a n 50° h e e f t ( d i t om k e t e l s t e e n en v u i l a f z e t t i n g t e voorkomen.) 2 U i s 30 en T = 174. B e n o d i g d p i j p o p p . 187 m , d.w.z. 2334 m. p i j p . Het k o e l w a t e r g a a t d o o r de p i j p e n , de g a s s e n e r om. Voor Re 10000 i s n o d i g : 800 1 w a t e r / p i j p . u u r . B e n o d i g d k o e l w a t e r : 993000 = 7 , 9 0 1 / s e c . 4187 x 30 7,90 x 3600 A a n t a l p i j p e n p e r p a s s : = 36 800 We nemen p i j p e n v a n 6 m 288 p i j p e n en 8 t u b e - p a s s e s Ma b e r e k e n i n g v o l g t D i s 1050 mm.