Berekening van de destillatiekolom voor de scheiding van benzylchloride en tolueen in batch

(1)

I

'.

J

./

Berekening van de destillatiekolom voor de scheiding van benzylchloride en tolueen in batch.

L.Schwarz Godetiaweg 24 den Haag

(2)

Berekening van de destillatiekolom voor de scheiding van benzylchloride en tolueen in batch.

Van beide stoffen zyn de gegevens der dampspanning by

verschil-lende~

_{temperaturen gegeven door Sta I I} _{1).De gevonden waarden} worden in een grafiek uitg_{ezet en zo wordt de dampspanningslyn} van de beide stoffen verkregen. (grafiek 1)

W~y _{nemen nu voor het mengsel benzylchloride-tolueen aan:} a) Het is ideaal.

. _{tb) Het mengsel volgt de wet van Raoult.}

~

1. r+1;

_{Lc) Het mengsel heeft geen mengwarmte.}

lJVY"v

'

#J'

~I_I l~ _{Verder nemen wy aan dat de kolom adiabatisch is en dat in de kolom}

~Vt,:. '

geen "hold-up" optreedt.

Uit de gevonden dampspanningskrommen kan men de relatieve vluchtig-heid berekenen door middel van de formule:

Ptol

----0(

=

~enz.chl.

De waarde van ~ _{varieert met de temperatuur en het verloop van} t.o.v. de temperatuur is ook in grafiek 1 weergegeven.

W_{y kiezen nu een bepaalde temperatuur,waarby wy wensen dat het} to-lueen destilleert.Deze temperatuur wordt niet te laag gekozen wegens " , - - -.. moeilykheden,die op kunnen treden by het effectieg koelen van het destillaat.Hier werd gekozen een temperatuur van 950

C en hierby behoort de waarde van 0< =10.By ₉₅0_{C is de dampdruk van het}

benzyl-chloride

50mm

_{Hg en van het tolueen}

_500mm

_{Hg.I~e kolom wordt een}

druk van 500mm Hg gehandhaa_{fi en het benzylchloride zal by deze} druk by ong.1650

C destilleren.By deze temperatuur is de~ =5,8.

De gemiddelde rel. vluchtigheid tydens de destillatie wordt uit de

volgende formule berekend:

o

« ='1(0(_ 1) (<< - 1)

L. _ _ _ ~~~ gem ~,. A ...

Zo wordt gevonden _gem0( = 6,57

W_{y kunnen nu het x-y diagram berekenen waarby x de molfractie der} vluchtigste component in de vloeistof is en y de molfractie der

(3)

(2)

vluchtigste component in de damp.

Wy hebben aangenomen dat de wet van Raoult geldt en de berekende

~

'/

gemiddelde waarde van

~

is dus constantt tydens de destillatie.

vy

Nu geldt:

~~

en lliruit---;;-igt het x-y

diagram.(gra-.. ····

..

7 1f

~

~~~

-

sI:~)

construe:rde een figuur waarby hy de afhankelykheid van

_~\.IJ

.

:!. het aantal theor.schotels(n) en de reflweverhouding(R) aangaf by

~ .. \,,, verschillende waarden voor 0{ ,dit alles om een bepaalde

standaard-\~

.1,

;

I

scheiding der componenten te verkrygen.Deze standaardscheiding

be-~~\ ~ ;,,', stond uit de eis, dat de eerste 40%,die gedestilleerd werd, een zui~

I •

1

-.,~

!

verheid moest hebben van meer dan

95 %

.

f Rose kwam tot deze laatste figuur door eerst by een bepaalde~en R

I

de grootte van y te berekenen by verschillende waarden van n.Deze

I

_I

waarden van y vond hy door voor iedere samenstelling der

bodemvloei-,.

. stof~ x en bepaalde 0< ,R, n de y te berekenen via een Mc Cabe-Thiele

1 •

t.d~agram.

t

Ook maakte hy grafieken,die de afhankelykheid aangaven tussen de R

i

I b_Yverschillende waarden van a< en n door destillatiecurven uit te zetten.

Nadat Rose dus op deze manier de grafiek heeft verkregen van n en R by varierende ~ geeft hy tevens ~~ aan dat de waarde van n gekozen moet worden tussen n=

~

R en n=

~

R.

Zo geeft Rose de volgende formules voor het verband tussen 0( ,n en R. R_min

=

2 n_max

"3

R = n

Rmax = ~ 3 nmin

Vullen wy nu vooro( de gevonden

R

_min=

2,93

=

~.z.§ logo( = ~.z.~2 logO< = g.z.~ logo(

waarde van

6,57

in dan vinden wy:

(4)

. Uit deze grenswaarden kiezen wy nu de volgende waarden voor n en R

n = 4 en R = 3

De refluxverhouding wordt zo laag mogelyk gekozen,hetgeenvoordeliger is dan een grote refluxverhouding wat betreft de destillatietyd.De waa

r-t

fe

_.

jJ.JJt.-Wy stellen nu de volgende eisen aan de .destillatie: . /

6.k-

r

.,../~

van n is iets lager dan het berekende maximum.

1) De eerste component(tolueen) moet minstens 98%zuiver zyn.

2} De tweede component(benzylchloride) moet minstens 99,5% zuiver zlln. Om deze eisen te beoordelen en te zien of een kolom met de gekozen

grootheden aan deze eieen voldoet berekenen wy de destillatiecurve. Hiervoor passen wy een ~itgewerkte vorm vanxd~ formule van Raleigh toe.

s~ dx log S _{t b c : : , 3 u J}=- log S -

:-;,l_~"7J

---xd - _xr

xBt

Hierin iss

St

=

aantal molen in de destillatiekolf op tydstip

t.

Sb

=

"

ti " " " It begintydstip dest.

x

d

=

molfractie der vluchtigste component in het destillaat. x r =

"

ti _{in het i'esidu.}

I.

bE!in ti

"

ti _het _{der destill.}

x_sb= op

...

xst

=

ti

"

op tydstip t.

Uit grafiek II kunnen wy de waardenvan xd,die by x

r corresponderen of omgekeerd,met de methode van Mc Cabe-Thiele vinden door

verschil-lende waarden voor x_r of xX_d te nemen.

Deze waarden en de da.aruit afgeleide waarden voor x_d - x_r en zyn allen in de hierna volgende tabel weergegeven.

1

---x - x

d r

~~. De beginsamenstelling van de vloeistof is x=O,5.Wy zien uit de grafiek

dI-'" .;.;

II dat by een waarde van x

d

=

0,98 (eis zuiverheid tOlueen) de

corres-r-

~

It~

onderende

_{samenstelling va.n het residu is xr}

=

0, 1

~

..

~~

dra

deze waarde

~~'~~s bereikt wordt niet meer aan de eis voor de zuiverheid van het tolu-een voldaan en begint de tussenfractie.Deze eindigt op het moment dat de xr

=

0,005(eis zuiverheid benzylchloride).Het benzylchloride wordt dan onder ui~ de destillatiekolom afgetapt.

(5)

1 x_d - _{x r} 0,1 0,005 0,095 10,5 0,2 0,01 0,19 5,3 0,3 0,015 0,285 3,5 0,4 0,02 0,38 2,6 0,5 0,025 0,475 2,1 0,65 0,035 0,615 1,63 0,8 0,05 0,795 1,26 0,96 0,075 0,885 1 , 13 0,97 0,1 0,870 1 , 12 0,98 0,2 0,780 1,28 0,985 0,3 0,685 1,46 0,990 0,4 0,590 1,69 0,995 0,5 0,495 2,02

Nu berekenen wy dus het aantal molen dat op het moment dat x

r= 0,10 wordt

nog als residu in de kolom aanwezig is (St1) en het aantal molen dat

op het moment dat x_{r = 0,005 wordt nog aanwezig is (St2).Het verschil}

tus-sen St1 en St2 is de grootte der tustus-senfractie.

Wy vinden:

St1 = 2194. St2 = 1803

en het aantal molen by het begin is 4000. De integraal wordt door

grafi-sche integratie berekend.(grafiek III)

Willen wy de gevonden waarden nu uitzetten in ~ gedestillérd dan vinden

wy resp. 4000 - 2194 • 100% en 4000y- 1803 • 100% dat is resp. 45,1%

4000 4000

en 54,9%.De tussenfractie is dus 9,8%.

Wy zien uit deze berekening dat met de aangenomen grootheden n=4 en R=3

de door ons verlangde scheiding kan worden verkregen zonder dat de tusseR-fractie groot wordt.

Tot slot berekenen wy nog de gemiddèlde samenstelling der tussenfrac-'ie.

De grootte der tussenfractie is 391 mol. Deze varieert in samenstelling tussen x

(6)

~ ..

I

I , er nog zyn ( 5)

10 _• _{2194 mol tolueen, aan het eind der tussenfractie}

100

i

~

nog 0,5. 1803 mol tolueen.Het verschil is 210 mol tolueen en er is

:\

100

totaal aan tussenf'ractie afgedestillierd 391 mol .Dus is de gem.

samen-stelling der tussenfractie

E..

.

100% dat is 52,7% tolueen.

391

Wy zien hieruit dat wy de betrekkelyk kleine hoeveelheid tussenfractie

zonder bezwaar kunnen toevoegen aan een nieuw te destilleren

hoeveel-heid reactiemengsel en daarmee de oorspronkelyke samenstelling van het

reactiemengsel ni.et noemenswaardig veranderen.

De destillatiecurve is in grafiek IV getekend.

Berekening der diameter der kolom.

W

y

berekenen eerst de dichtheid van het gas en de vloeistof in de kolom.

Dit gaat volgens de formules gegeven in perry3) blz.598

ft

=

Mgem T 32 T d Px

A

_~

=

Mgem • T 32 • P x 359 • T_d • Pl at waarin

dichtheid van het gas in lbs/cub.foot = gemiddeld moleculairgewicht

= temp. van 320F uitgedrukt in oK

=

temp. der destillatie uitgedrukt in oK

=

druk waarby gewerkt wordt uitgedrukt in lbs/sq.inch

P1 at = atm.druk uitgedrukt in lbs/sq.inch

Vullen wy de waarden in dan vinden wy =0,1414

Voor geldt de formule ÎL

=

"(6.1

-

~~,e() .62,43 lbs/ cub .foot by 20°C. , dat

is

.fL

= 61,47. By de destillatietemp( 9 5

0

C) wordt dit

ft

= 61,47. 68 =

= 6,108. 495

De damp,snelheid in de kolom wordt nu gegeven door de formule: u= K

v,

VrL

-

r!r'

r

waarin

u = dampsnelheid in ft/sec.

r

K = een constante afhankelyk van de afstamd der schotels in de

ko-v

lom en van het vloeistofslot.

Nemen wy nu een schotelafstand aan van 24 inch en een vloeistofslo, van

(7)

(6)

--

..

•

Ingevuld in de formule geeft dit: u = 0,

17V

6,108 - 0,1414 0,1414

=

1,10 ft/sec Totaal wordt in 6 uur 448 kg reactiemengsel gedestilleerd.Per uur wordt in de kolom, rekening houdend met een refluxverhou4ing van 3, een

hoe-veelheid van 662 Ibs reactiemangsel verdampt.Dat is 662 cub.foot/uur.

0,1414

De snelheid is 1,1 ft/sec.Dus het benodigde oppervlak der doorsnede der kolom moet zyn 662

=

1,182 ft 2 .Dit wil zeggen een straal ~

3600.0.1414.1,1

der destillatiekolom van 0,6134 ft,dat is 0,187 m.De doorsnede der kolom is dus

2L.1...2!

Wy rekenen met een schotelefficiency van 60%,d.w.z. dat wy 6 practische schotels nodig hebben.De schotelafstand is 24 inch dat is 60 cm.De hoogte der kolom is dus 3 meter hoog want de eerste schotel is de ruimte~ zelf waarin de vloeistof aan de kook wordt gebracht •

.

-.

Litteratuur.

Ind.Eng.Chem.

22

524

Ind. Eng. Chem. ~ 668 (1940) ên

22

595 (1941) 1)D.R.Stall

2)A.Rose

3)Perry Handbook of Chemical Enginering 1950

l~/

(8)

:.. ._~ . I f . ... 1 --;- , 'i t· • I .~ +. - ,. _, l' O,Y 0,'5" 0,8

(9)

, '~

ffj~[j}j:t1:$Ti8';-fTI~Ti

t:

;:'-rI~"'';'.'''':--L.,·

:;"-[.'1;

'~:J'-

!;

~ 'I j • ~ '"" . ...;.. ,!;-...!.. -'_ I 'I: l,-c~"'-'-'--"-r-""'-~i' -!--__ : . + ! 11'; Î - ' , . -". J

.r.

i, ~'i -"'-1-... -,':. :_J~"_' ._1---{ I, I, " j I -, " .-' '; ei _.- _:_. --I;·~ , ;'; i ~'1"--:-' - r '

..

" ,;

(10)

l· ij , " "'-.-' ; .:.;~ . +' " 1 " ',i I ,. :....:~;

!--:-t

+

:l';_:_~--"" _:..! _,.1,. " -' - I " ; I ' -.l .'.-'1 !' ! - . '.-:~ .--;--' ( . _t.l_ .. ~ t -f I'

1i'

~

.

• _-1 ___ ;::;~-~'i-:" "

(11)

~~ t ,10 ~ . ! . I t... t ) t ; ~, .... r ",:', " t I!

r'

~-; -, ' -,-~ \. \ ,--~-:-tf::< ....... ~~ t ,----;.

----

... ' 1 j . . . _ _ I ... _ ~ ... --!---\ \ -.,..._-\. \ ~ , \ '1 ' .... ~ - '-t ._~ , , j - +-"'4" .'-'., " - - -'1 - -l- r- ____ ..,...M , " , t'

.,.:;;

, " , .... ;

i;-::fii

.~:~:~1 . "f, ..-~: ~I

(12)

i

tlJ~

~

---Aanvulling

1 • Uitvoering de,r destillatie.

De destillatie wordt uitgevoerd onder verminderde druk(Pdest

=

50Omm) en set een constante refluxverhouding.

Tydens het begin der destillatie zal het tolueen bpna zuiver overdes-tilleren en het destillaat wordt opgevangen tot dit 9~zuiver tolueen bevat.(eis zuiverheid tolueen).Dan begint de tussenfractie en deze eindigt als de ketelinhoud nog

i%t

tolueen plus verontreinigingen bevat.(eis zuiverheid benzylchloride}Dan wordt de destillatie gestopt

en de ketelinhoud afgetapt.Deze bevat dus benzylchloride met Î% ver-ontreinigingen in de vorm van tolueen en andere chloreringsproducten.

2. Berekening van het X-y diagram door toepassing der wetten van

Raoult en Dalton.

By toepassing van deze wetten gelden de volgende formules: Pa= x.P a _{Pb= (1-x) 'P b} P dest=

Uit

(I)

volgt; x= ---Pdest - Pb Verder

P

-

_Pb

a

Hierin is:

Pa= part. spanning van tolueen

It rt

"

benzylchloride

P = dampspanning van tolueen a

rt rt _{benzylchloride}

druk waarby wordt gedestilleerd

x = molfractie tolueen in vloeistof

y

=

It

"

damp

p _a+ Pb= x.P _{a • (1-x) .Pb}

geldt: y= x. Pa

-

(11)

P _dest

by een bepaalde temp.

(13)

"

Met beh.lp der formules I en 11 en de dampspanningslynen van tolueen

en benzylchloride kan men nu voor verschillende temperaturen de x en

bybehorende y berekenen.Deze waarden zyn in de onderstaande tabel sa-mengevat en uitgezet in de grafiek A.

Ter vergelyking met de x-y figuur(grafiek II)zyn enkele waarden van xd

genomen ent de corresponderende _{waarden van x r grafisch bepaald.}Men

ziet hieruit dat by waarden van xd,die dicht by 1 liggen, er afwykingen z;

zyn.By een waarde van x

d

=

0,8 en lager is er geen verschil meer.

!~~E---!a---~b---~-____ l ___ -1060 0,9 0,05 1100 1 0,07 1200 1,33 0,13 1300 1,80 0,22 1400 2,15 0,35 1500 2,74 0,44 1600 3,48 0,60 0,729 0,645 0,45 0,285 0,170 0,1 0,024 0,98 0,963 0,893 0,765 0,570 0,409 0,126 0,98 0,8 0,65 0,08 0,05 0,035 0,1 0,05 0,034

3.Berekening der hoeveelheid HCI,die in de wachttank in het reactie mengsel aanwezig is.

Wy nemen aan: 1) Het mengsel tolueen-benzylchloride is ideaal.

2)Wy beschouwen het mengsel tolueen-benzylcgloride

als een stof met een mol.gew. dat gelyk is aan het gemiddèlde der mol. gew. van tolueen en

benzylchlo-ride.

3)Het mengsel Hel -(tolueen +benzylchloride)is ideaal

4)De temp,waarby de vloeistof de gas-vloeistofscheider

(14)

"

t •

Wy berekenen eerst uit een p-x figuur by 100°C de dampspanning van een mengsel van gelyke delen tolueen en benzylchloride.Uit de

damp-spanningskrommen vinden wy by 100°C.: Ptol= 600 mm en Pbenz.chl.= 60 mm Hieruit vinden wy voor een mengsel van gelyke delen tolueen en benzyl-chloride een dampspanning va.n

0,4

atm.

De dampspanning van HCI by 1000C is ongeveer 60 atm. Wy willen nu de molfravtie aan zoutzuur in de vloeistof weten. Voor de vloeistof tak in de p-x figuur geldt voor verdunde oplossingen de formule:

p = p _a

(1-x)

+ PboX _'

waarin :

p _a

=

dampspanning der vluchtigste component

"

minst~vluchtige component

x

=

molfractie der vluchtigste component

By 1 atm. vinden wy voor x:

en x

=

QJ.§

59,6

0,4.(1-x)

+ 60

x

=

1

In gewichtsprocenten: x =

glJ.2

x /00

6496 -r2-/.,

Dus zit er in de oplossing O,3~ HCI.~ d.w.z. dat van de 76 kg zout~ 'lItSI •• 'r

zuur)die by de reactie QR~&~aat naast de

448

kg reactiemengseî%

0,25

kg

(15)

~ 1 ' -'-_.":'. ~f: ~ ;1,"'-;"-- :-, -;-: ,"'- :-~:t;-:-j'"

'!1'

1-~U.C.:r.,!-,=.,-,+ __ ' :~ ~ '~~:

,+~:r>·j~

:-h-:'+r,":'''''.~ .~.- ; -t'" r! -1": ._. _. I_~":'" _' I., _1. I : , J . ----r-· - "-" :1 ! • .!' ~\ ~ , ., ~, ' ~ '. -'.- ~-,I , I , I , ! _ .•... ----~---""' , ' .. : ... -:-;-, , , I, ".: .... ., .-~..,. J, • , ~ .~ j I ! J. '+ _ . 1 't-, "\ , ."::,1 " :"',,' ".~ , .... CL. ~ , ;:~: ~-,-t r' ~ " ... ~ ~ ., '.-.< ... _~ ,~I, . -,:~:T~=, -:T'."I -1~-' .,~ r ' l '

-'"

,i f 1 " . , L~i}):l: f -t- -, <Ol 1 ~ \ '