De produktie van cumeen

(1)

r~~---~ ~ I I

f.

j~

--

----~--

~I---~

--:'

-1

~~.

~

-i~ l

f~

q

~

~ " : , f : , : /J:

I

-'~,,- ----~

I

, - - -- -~

r+---I

---; ;1,1 , , , , , , , , , -0-_I r-- ---. \, 6-

l

_~

3Ji,

I

,... -~ -C : ~ J

-'

-, . -_ ._ - --, ----0

(2)

I.

..

'-"

).

'1 , . ! 2. PROCESSCHEMA

VOOR DE PRODUKTIE VAN CUMEEN.

INLEIDING.

ALgemeen.

De produktie van cumeen werd gedurende de tweede wereldoorlog in de Verenigde Staten op grote schaal ter hand genomen, nadat gebleken was dat industriële produktie met behulp van een vaste fosforzuurkatalysator mogelijk-was. Cumeen we~d in die tijd

ge-bruikt om het te mengen met vliegtuigbenzine van hoog oktaange-tal. om deze een goed kookt~ekt te verschaffen. Cumeen heeft n.l. een hoog oktaangetal Cll. Voor dit doel wordt tegenwoordig

tolueen gebruikt. terwijl cumeen steeds meer toepassing vindt voor de bereiding van phenol en aceton met behulp van de cumeen-hydroperoxydemethode

(2].

De omvang van de produktie was in de oorlog zeer groot; hij steeg in de V.S. n.l. van ruim 40 ton per dag in mei 1942 tot 1540 ton per dag in december 1944 Cl). Over de huidige produk-tie zijn geen cijfers bekend.

De proces~euze.

De mogelijke bereidingswijzen van cumeen vallen uiteen in twee groepen, n.l. die welke in het laboratorium en die welke in de

industrie worden toegepast.

De laboratoriumbereidingswijzen zijn die volgens Wurtz-Fittig en die volgens Friedel en Crafts. Bij de laatste kunnen verschil-lende katalysatoren worden toegepast.

Op industriële schaal vinden twee processen toepaseing

(3],

beide berustend op de alkylering van benzeen met propeen. Het ene, het zgn. foeforzuurproces, gesch'fdt in de gasfase over een vaste fosforzuurkatalysator; het andere , het zgn. zwavel-'" zuurproces. in de vloeibare fase met v~zwavelzuur als

katallsator. De raffinage-sectie is in beide processen dezelf-de [lJ. Bij beidezelf-den wordt een propeen-propaan-mengsel als grond-stof gebezigd en onder verhoogde dru~gewerkt, in het fosfor-zuurproces bij hoge temperatuur en in het zwavelfosfor-zuurproces bij kamertemperatuur. Hoewel het(zw~velzuurproces een hogere pro-peenconversle '&e zIen geert ~~~:! tegen 88,5% bij het foefor-zuurproces bij optimale condities), is hier toch het fosfor-zuurprocee gekozen en wel om de volgende redenen:

le De apparaten zijn met geringe wijzigingen, ook voor andere processen bruikbaar (bV. de polymerisatie van propeen). 2e Door de grote vereiste zuurconcentratie vraagt het

zwavel-zuurproces kostbare zuurbestendige construktiemateriale

!.

rn

~ . w . v... \. ' I ~ _ n. < --- --- -, ,

(3)

-2-Het zwavelzuurprocee vereist een neutralisatie van het zwavelzuur

sel, dat uit de reactor komt. Een extra proces is nOdig om het

uitgebreide apparatuur ter in het koolw ateretofmeng-zwavelzuur te regenereren. Een literatuurvoorbeeld

[4]

geeft een fabrieksproduktie van ongeveer 39 ton per dag; daar een produktie van deze orde van grootte blijkbaar ekonomisch verantwoord is, is voor het na-volgende schema een uurproduktie van 2 ton, dus een dagproduk-tie van 48 ton aangehouden.

11. HET VERLOOP VAN HET PROCES.

1. De reactie.

Bij de alkylering van benzeen met propeen stelt zich het volgende evenwicht in:

o

dat bij gunstige omstandigheden rechte ligt. Cumeen wordt ook gealkyleerd (5): )JH hCH 3

+

V

'cH~

O

~H3 ~ _H3Q-

?

I

C(.H Hb CH 3 H 3

c'

enz.

Om dit laatste evenwicht terug te dringen, moet de benzeen/pro-peen verhouding groot zijn. Dan ligt het volgende evenwicht rechts:

CH

hCH 3

IV

CH₃

Me Allieter c.s. (1] vonden dat de beste benzeen/propeen ver-houding in de reactorvoeding 5,0 is; bij een groter getal is de conversie maar weinig verbeterd en dit weegt niet op tegen

de grotere kosten van de omvangrijker apparaten en destilla-tiekotmmen. De gunstigste reactieomstandigheden zijn voorts: Temperatuur: 250'C; erboven ie slechte een kleine stijging

in conversie en geen toename van de cumeenopbrengst. Druk: 17,5 atm; om dezelfde reden.

LHSV: 2,5; bij een lagere waarde neemt de propeenconversie weliswaar toe, maar de omvang van de reactor en de hoeveelheid benodigde katalysator stijgen on-evenre dig.

Onder deze reactieomstandigheden is de propeenconvereie 88,5%;

i~et produkt bevindt zich 90% cumeen. De reactiewarmte van

de exotherme reactie is ongeveer 23,4 kcal/mOl bij 250'C

(1).

De polymerisatie van propeen, die onder soortgelijke condi-ties verloopt, blijft hier bijna geheel achterwege;

klaarblij-~ ~ de reactiesnelheid kleiner dan die van ~e álxy1ê?fng.

Aetheen reageert langzamer met benzeen dan propeen en stoort

(4)

-2.

- - - - < - - - ,

-3-hier dus niet. De butenen reageren sneller dan propeen en moeten, indien nodig, van

te

voren uit het reactiemengsel worden verwijderd.

De katalfsator.

De katalysator bestaat uitosforzuur op kiezelgoer als drager. De samenstelling ie niet geheel constant en ongeveer als volgt: 62%-65% P205' 25% SiO~, ca. 5% MgO en ca. 5% A1₂_{03 •} De katalysator wordt in de vorm ~an pilletjes gebruikt. [6J De levensduur ie ongeveer 660 kg cumeen per kg katalysator. De katalysator heeft een laag watergehalte; om verdamping te-gen te gaan moeten de gassen waterdamp bevatten.

3. De reactob~

4.

De reactiewarmte mag geen aanleiding geven tot te grote temperatuurstijgingen om ongewenste nevenreacties, vooral de polymerisatie van propeen, te voorkomen. De reactor is zodanig geconstrueerd dat de gassen achtereenvolgens 5 boven elkaar liggende katalysatorbedden van boven naar beneden doo.-stromen. De temperatuurstijging per bed bedraagt niet meer dan 15' tot 20·C. omdat het propeen met inert propaan is ver-dund. De reactiewarmte wordt weggenomen door tussen de bedden koud koelgas, dat vnl. uit propaan bestaat, in te spuiten.

(7] .

De grondstoffen.

De zuiverheid van de grondstoffen ie afhankelijk van hun herkomst.

Aangezien propeen een produkt is, dat in aardolieraffina-derijen veelvuldig wordt geproduceerd, is hier verder aange-nomen dat de te beschrijven fabriekeeenheid deel uitmaakt

van zo'n raffinaderij of hiervan zijn grondstoffen betrekt. Propeen komt meestal f gemengd met andere kool waterstoffen. in kraakgas voor. De aanwezigheid van propaan is noodzakelijk; andere alkanen en aetheen storen niet, maar dienen zo moge-lijk toch verwijderd te worden, om de reactor en de eerste

destillatiekolom niet te volumineus en daardoor te duur te maken. Butenen moeten worden verwijderd. Vaak bevatten de kraakgassen zwavelwaterstof en stikstofbaeenj ze worden van

te voren uitgewassen resp. met natronloog en water, aangezien ze de katalysator vergiftigen. Afhankelijk van de gekraakte oliën en het kraakprocédé variëert de samenstelling van het kraakgas en daarmee de verhouding propeen/propaan. Bij dit schema is een verhouding van 0,5 aangenomen, om~at een mol-verhouding van deze orde van grootte in de praktijk nogal eens blijkt voor te komen.

Bij dit proces is aangenomen dat het bemzeen geheel zuiver is. De onzuiverheden die te tolereren zijn zijn thiopheen. welks gehalte i.v.m. katalysatorvergiftiging kleiner dan 0,15% moet zijn, en het inerte cyclohexaan, iat verwijderd kan

wor-den door van het recirculerende benzeen af en toe een klei-ne hoeveelheid af te tappen. Andere onzuiverheden moeten van te voren worden verwijderd.

(5)

5.

-~

De verwerking van de reactieprodukten. De verwerking geschiedt in drie destillatiekolommen. In de eerste, de zgn. depropanisatiekolom, worden propaan,

on-omgezet propeen _{en een weinig benzeen afgedestilleerd. Dit}

mengsel wordt gedeeltelijk _{als koelgae naar de reactor}

terug-gevoerd en gedeeltelijk als vloeistof afterug-gevoerd; het is te gebruiken als LPG (liquified petroleum gas) en daarom als _{zodanig aangeduid.}

Het bodemprodukt wordt naar de tweede kolom, de zgn. ben-zeenkolom, gevoerd, _{alwaar de benzeen wordt afgedestilleerd.}

Het bevat een weinig cumeen en wordt, na supplering met ver-se benzeen, teruggevoerd en met propagas vermengd.

Het _{bodemprodukt wordt in de derde kolom. de cumeenkolom,}

gerektificeerdl:, waarbij _{99, 8% zuiver cumeen on tetaat.}_Voor

de bereiding van cumeenhydroperoxyde moet de zuiverheid nl.

tenminste 99.4% bedragen. _{Het bodemprodukt bestaat vnl. uit}

diieopropylbenzenen en kan voor verschillende doeleinden ge-bruikt worden. Het _{wordt voortaan aangeduid als "residu".}

111. _{MATERIAALBALANS.}

1. Materiaalbalans. _{gebaseerd op 1 mol uitgangsmateriaal.}

De _{samenstelling van 1 mol uitgangsmateriaal in gasvorm}

is a_{ls volgt: 0.125 mol} C3H6 0,250 •• C~H8 0.624 •• C 6H6 0.001 ., C 9H12 1.000 mol totaal.

Deze molverhouding is gebaseerd op _{de in het vorige hoofdstuk}

genoemde overwegingen.

Aangenomen ie, dat bij de uitwaesing van het propagas (zo-als het propeen-propaanmengsel voortaan wordt genoemd) met

natronloog en water _{de temperatuur ca. 30'C is; bij deze}

tem-peratuur verzadigd met waterdamp blijkt 0,375 mol propagas , _{0,017 mol waterdamp met zich mede te voeren.} _De

recirculeren-de benzeeft bevat 0,0115 mol waterdamp, _{zodat het}

uitgangema-, teriaal <0.0285 mol waterdamp per mol bevat.

a. Reactor

Onder de gegeven reactieomstandigheden ie de propeenconver-sie 88.5%. d.w.z. 0,111 mol wordt omgezet. waarvan 90%. zijn-de 0,100 mol, tot cumeen. Om _{tot een overzichtelijke}

bereke-ning van het proces te komen is aangenomen dat er uitsluitend

m-diisopropylbenzeen _{als nevenprodukt ontstaat. Dit heeft} n.l. fysische constanten die redelijk het gemiddelde van die

der dilsopropylbenzenen benaderen.

Het koelgas wordt op 4 _{plaatsen in de reactor ingespoten.}

De hoeveelheid is afhankelijk van de hoeveelheid reagerend

gas, de samenstelling van die der gassen die uit de reactor

(6)

_ _ .0- _ _ - - -

--5.

i , ... ~

\ "

propeen zal reageren; omdat de v~~Èl~j~ti~d _{in de reactor}

kle;iner iè ~e _{van de grondstofgaesen, is de conversie}

gestel

d· op ~,~ _{terwij 1 aangenomen wordt dat van di t}

pro-peen 87,5% ie' _{omgezet in cumeen. Omdat van de}

reactiesnelhe-den niets bekend is, ie, ter berekening van de hoeveelheid

koelgas. aangenomen dat in het eerste katalysatorbed lS.5%

van het propeen wordt omgezet en in de andre. steeds 18%. Op-dat de intredetemperatuur voor ieder bed 250 C bedraagt, moet 82% van de reactiewarmte worden weggenomen.

j 0 \ ' \ '

.J\ ,

. r~' ..

De _{samenstelling van het koelgas vloeit voort uit de}

mate-riaalbalans van de condensor van de depropanisatiekolom. _De

materiaal balans voor de reactor ie nu als volgt: Tabel I In Grondstofl2:as Koelgas C3HS O,12ó 0,011 C,3H 8 0.250 O,4S7 PSHS O,S24 0,001 ';9H12 0,001 P12Hl€ H20 0,0285 b. Depropanisatiekolom. Uit Uitgaand gas 0,017 0.717 0,512 0,108 O,OOS 0,0285 (alle waarden zijn uitgedrukt in mol)

Destillaties dienen om redenen van ekonomie en conetruktie bij zo laag mogelijke druk te geschieden, zonder evenwel een

druk lager dan 1 atm te bereiken. Gezien de kookpunten van propeen en propaan bij l\atm zou destillatie van het uit de

reactor komende gas _{bij atmosferische druk een koelmachine}

, I als condensor vereisen, welke machine waarschijnlijk

~~.

is dan het construeren van een drukkolom. Daarom is een des-tillatiedruk van 11,5 atm gekozen. Het dauwpunt in de

conden-sor ligt dan _{bij 33°C, zodat condensatie met koel}_w_{ater van}

15'(; mogelijk is. De _{ketel temperatuur ie 195'C.}

Tussen top en bodem van de kolom heerst dus een

temperatuur-verschil van lS2·C. De _{relatieve vluchtigheid van propeen}

en propaan t.o.v. de aromaten ie zeer groot, _{zodat de}

schei-ding waarschijnlijk gemakkelijk zal zijn. Dit betekent een

klein schotelaantal, zodat moet worden gekonkludeerd _{tot een}

groot temperatuurverschil tussen twee opeenvolgende schotels. Dit maakt een goede berekening van het aantal theoretische schotels zeer moeilijk, aangezien nu bij iedere schotel een

niet te verw_{aarlozen verandering in de terugvloejverhouding}

optreedt. Een nauwkeurige berekening volgens de "trial-and-error" methode is daarom niet erg zinvol. Daarom is getracht hier met een evenwichtedestillatie te volstaan; om het

ben-zeengehalte in het gas laag te houden is echter een hoge druk in het expansievat vereist. Daar het gas voor het expanderen zeker tot het dubbele van de druk in het vat moet worden op-geperst, vereist een evenwichtsdestillatie kostbare appara-ten en zeer veel energie. die later weer door koelwater moet worden afgevoerd. Voorbeeld: indien 0,025 mol benzeen per

mol gae in het gas komt , moet _{geëxpandeerd worden tot 53 t '}

(7)

- - -

-

-6-Het benzeengehalte van het gas moet klein zlJn, omdat een gedeelte als LPG wordt afgevoerd en deze benzeen dus verlo-ren is.

Vanwege deze hoge druk wordt de schei ding toch in een de s-tillatiekolom uitgevoerdp bij 11,5 atm. Het aantal

theoreti-sche schotels is benaderd met behulp van een M cCabe-Th'iele-diagram voor het systeem propaan-benzeen. Dit zijn n.l. de sleutelcomponenten voor deze destillatie. De evenwichtelijn

in het diagram isg~t~~end volgene de formule

-.--"" t i ! - " x

y,~ l-x-q"x

verandert met de temperatuur; daarom is de gemiddelde waar-de-ven-ae

;

"

'e

bij 33°en 96,SoC genomen. (De laatste ie de kri tische temperatuur van propaan). ProJ2!l~ ka~ dus ,in het

"" ,;(. ketelprodukt lfJeJ .. voork,omel.l; hieruit volgt dat de benadering

ruw is.~!5S.2. Als x en y de molfracties propaan in vloei-stof en damp voorstellen, is gesteld dat xD-O.999 en xv-Q.001.

~ Deze laatste waarde ie slechts van betekenls voor het

~onstrue-' ren van het diagram. Er is een terugvloeiverhouding R.l,5 aangenomen; Xv=0,5S~. De waarde van q volgt uit de warmteIn-houd (zie wa~tebalans); q:-O,4. Het diagram ie nu te

construe-ren en het aantal theoretische schotels te bepalen; het blijkt 6 te zijn.

Er is aangenomen dat er een totale condensor~;d.w.z. dat inkomend gas en condensaat dezelfde samenstelling hebben. In een condensor stelt zich moeilijk een evenwicht in; op de condensor zal nog nader worden ingegaan.

In de balansen van de kolommen hebben de symbolen de vol-gende betekenis: F voeding

D de st i ll~ at

L de ter~loeiende vloeistof uit de condensor

G het gas dat de condensor binnenkomt K ketelprodukt

L' de in de ketel stromende vloeistof G' het door de ketel geproduceerde gas. Bij iedere kolom ie de ketel als een theoretische schotel

be schouwd.

Voor het systeem benzeen-propaan ie nu de volgende materiaal-balans op te stellen: TabelII F D K L G ~.--- G'

-

-1,076 1,79~ ~;)H8 0.71 ? O,?l? P6H6 0,512 0,001 0,511 0,002 0,003 0,597 0,086 trot. 1,229 O.71S 0.511 1,078 1,796 0,5~7 0,086 Propeen heeft t.o.v. benzeen en de aromaten die een nog hoger kookpunt heboen een grotere vluchtigheid dan propaan,

zodat de kolom voor deze scheiding ook toereikend zal zijn. Nu ie een materiaal balans voor alle componenten tezamen op te stellen. F is gegeven, ~n D liggen vast door de gestel-de ei sen, L en G volgen ui t gestel-de' aangenomen R-l, 5. De waarde van q blijkt echter veranderd te zijn, nu alle componenten

"beschouwd worden, want L' berekend uit L':L~qFblijkt

klei-ner te zijn dan K, hetgeen natuurlijk niet mogelijk ie. q wordt o.a. bepaald door het enthalpieverechil tussen damp

(8)

-7-en vloeistof; deze verdampingswarm_{ten zlJn voor iedere}

com-ponent afh_{ankelijk van de tem}_p_{eratuur, zodat steeds een}

ge-middelde waarde moet w_{orden berekend. Door het} _gr~te_verschil

in _{dauw- en kookpunt van het mengsel F (resp. 197 en cs. 60·C)}

is een rekenkundig gemiddelde hier verre van nauwkeurig te

noemen en dus ook de daarmee 'berekencie q. _{Daarom zijn L' en}

G' berekend volgens de aanname dat ze evenredig zijn met de

L' en G' van het sy_{steem benzeen-propaan. Dan is}

L'=O,597 x 0,65;)_{5=0,764 en G'.O,ll05. AAngezien G' in}

even-0,511

w_{icht is met K, is zijn samenstelling te berekenen; ciie van}

L.t'; _{volgt uit L'.G'+lf voor iedere component afzonderlijk.}

De gassen zijn in dit proces steeds ale ideaal beechouwd.

De damp-vloeistofeven_w_{ichten zijn daarom} _m_{et behulp van de}

w_{etten van Raoult en Dalton} _·_berekend,.

De _{materiaalbalans voor de de}_p

ropanisatiekolom is ale volgt:

Tabel 111 In Uit Jf .l) _l\. _.J.I _Ü .J.I IJ (,;3~6 _0,0170,017 0,026 O,04~

,

. C3H₈ _O,71? _0,₇₁₇ _{1,076 1,793} C 6H6 0,512 0,001 0,511 0,002 0,003 0,6105 0,0995 CgH12 0,108 0,108 _{0,112 0,004} C 12H18 0,006 0,006 0,006 H90 0,0285 0,0285 _{0,0355 0,007} Totaal 1.3885 0.735 0.6535 1.104 1 839

o

764 Ö lTo5

Zoale reeds werd gezegd ie de condensor totaal verondersteld;

d_{eze aAnname wDrdt ook} _g_{erechtvaardigd door het feit dat het}

inkomende gas voor 9?,5~ _{uit propaan bestaat, zodat bij evt.}

evenwichteinste11ing _d_a_m_{p en vloeietof slechts weinig in}

sa-" /.c

menetelling zouden verschillen. De _{condensor ie in een amder}_,

~.{",)i.~,

opzicht niet totaal, doordat het gas, dat al s koelgas naar _{- .}_;~i.,.

de reactor zal recirculeren, niet g_{econdenseerd wordt. Er} _~'\!~_{.. ,'" ...}_{

is aangenomen dat zijn samenstelling dezelfde is als die van , ....

['i -'

inkomend gas en condensaat. Het als LPG af te voeren gedeel- -t,~ f ' ti "J

-te wordt wel g_{econdenseerd, omdat het in vloeibare toestand} _:.;{(\~~.

minder opslagruimte verei st dan in gasvormige. ~

_f

_tS~'"

De _{ma teriaal ba lans voor de conciensor i s al s volgt:}

,b

,

1,793 1,0?6 0,003 0,002 Totaal 1,839 1,104 c. De benzeenk01om.

,

0,467 0,001

°

479

,

0,250

°

256

Het afdesti11eren van benzeen kan bij atmosferieche druk

(9)

-J ~ \ . \ ,~ .-,/y ". ;I

-8-geschieden; de kolom is berekend voor een 1ruk van 1,75 atm omdat het ketel produkt dan zonder pomp naar de cumeenkolom kan worden getransporteer~. Berekend naar de vereiste

samen-stellingen van deetill~t en ketelprodukt ie bij deze druk

•

de ketel temperatuur 177 C en de condensortemperatuur 101 C.

De condensor is weer als totaal beschouwd, hoewel ook hier

( het inkomende gas gedeeltelijk gecondenseerd wordt, nl.

dat-)gene wat in de kolom terugstroomt. De rest wordt in gaevorm

'gerecirculeerd naar de plaate waar hij met het propagas wordt

, gemengd. ~ , ' ,\., ,'_

De voeding van de kolom bestaat uit vloeistof van 195 C \11

r I '

en 11,5 atm, die a diabati ach wordt geëxpandeer d tot 1,75 a tm • ' , I "

Hierbij treedt gedeeltelijke verdamping op en daardoor tempe-ratuurdaling, n.l. tot ca. 115·C. Deze temperatuur is te be-rekenen door de vrijkomende warmte bij temperatuurdaling ge-lijk te stellen aan de verdampingswarmte, die nodig is om een gedeelte van de vloeistof in damp te 10en overgaan.

Het aantal theoretische schotel s i s uerekenà~t behulp van een McCabe- Thiele-diagram voor het systeem benzeen-cu-meen. Er is aangenomen 1at de kolom een voldoend scheidend

vermogen heeft om het "residu" in het ketelprodukt te doen komen. Bovendien ie verondersteld dat het weter, al is het minder vluchtig dan benzeen, vanwege zijÓ geringe hoeveelheid bij het destillaat komt. Uit het 1amp-vloeietofevenwicht bij 115· C blijkt dat de q-waarde voor het syeteembenzeen-cumeen

gelijk is aan~0,440. Verder is gesteld dat R=~, x ~O,998 en Xv=O,001. De evenwichtslijn met behulp van de gemPddelde

waar-d~ van de relatieve vluchtigheid van benzeen t.o.v. cumeen geconstrueerd; deze«. 6,57. x_F=O,826 (met x en y worden de molfracties benzeen aangeduid). Uit het diagram blijkt dat

de kolom 8 theoretische schotels heeft.

De materiaalbalans voor het totale systeem ie nu als volgt: Tabel V In

- -

üI't

- - -

---

.-..---

--,-

-

----

-

ï)

-

--

---iC ----~"damp vl

ë1.

totaal -C6R6 0,~2€ 0,185 CgH12 0,021 0,087 Cl~le 0,006 R20 P,015E 0,01~ Totaal P~62fj 0.291 0,511 0,5109 0,108 0,001 0,006 0,0285 0,0115 0. 6 ~~ _Q.I.5?~ 0,00 0,10 0,00 01 7 6 0.1:1

-

31 --

-

ä

--

-

t

-

_-

_-1.'

- -

-

-2,0436 1,5~27 0,0105 0,004 0,003 1,798 0,0~54 0,0465 0,018 0,0008 2 0941 _{1.LÉ~2 .l.l.ê~!2} In de condensor wordt L gecondenseerd; D blijft in gasvorm. De verse benzeen voor het proces wordt als koude vloeistof in stroom Gingespoten (0,1131 mol); hij is in tabel V nog

0,0104 1,691 0,0294 0,0008

h1

3 16

niet vermeld. Door dit te doen kan het koeloppervlak kleiner zijn dan anders het geval zou zijn. In tabel V ontbreekt on-der D 0,017 mol water en wel om de volgende reden: Bij 70-C

bevat vloeibare benzeen maximaal 0,27 gewichtsprocent water (8]" daa{ dit percentage weinig temperatuurafhankelijk is, ie voor ' 101 C eveneens 0,27% aangenomen. Er condeneeren (L) 1,5327 mo1= l19,~5 gram ben2~en en 0,0~5 mol-= 0,62 gram water. De benzeen kan bevatten ~x 119,85.0,32 gram. 0,018 mol water; er ontstaan dus een benzeenlaag met 0,018 mol water en een w

(10)

a-- a-- a-- a-- a-- a-- a-- a-- '

-

-9-terlasg van 0,0;35 - 0,018=0,617 mol. De twee lagen worden

in een achter de condensor staande afscheider van elkaar ge-scheiden.

De materiaalbalans voor condensor en afscheider tezamen is: Tabel VI --In _Uit G Toemr Ülti.!~e CeHe ,04.:>6 0,11 O,e2 C9H12 0,004 0,004 0,003 0,001 20 0,0465 0,0465 0,018 0,0115 otaal 2 0941 0 2 2072 1

5537

-'06365 d. De cumeenkolom. -, C6H6 CgH12 b_12H18 ~otaal

Het óumeën-wördt gerektificeerd bij atmosferische druk.

Door het drukverlies tijdens het transport en door 1e ev~.

daarna nog nodige expaneie tot 1 atm, treedt en ge verdamping

en daardoor -teiripera~tüûra-aïTng'-~o·:P;-n:l. tot 155° C. De

conden-eortemferatuur van de kolom is 154°C; de ketel temperatuur

i EI 197 C.

Het aantal theoretische schotels is berekend met behulp

van het McCabe-Thiele-diagram van het systeem

cumeen-diIeo-propylbenzeen. Hierbij is R:;3 genomen en x

D:O,998 en xK=O,017,

ale x de molfractie curneen voorstelt. q=O,846 en XF=0,945.

De evenwichtslijn is met een gemiddelde«-waarde geconstrueerd;

dezeC'(=~,44. Be kolom blijkt 10 theoretieche schotels te

heb-ben. De condensor is totaal, omdat al het gas gecondenseerd

wordt. De materiaalbalane voor de kolom is ale volgt:

Tabel VII

-

---Ïn

---Ui t

-r-

l ) _K .L G L ' G' damp- vI'S't:-Tötääl

-0,0001 0,0001 0,0001 0,0003 0,0004 0,017 0,090 0,10? 0,1068 0,0002 0,;5204 0,4272 O,03?2 O,037C 0,0003 0,0057 0,006 0,0001 0,0059 0,0003 0,0004 0,3795 0,3736 Q..l0174 0 ... 09.21 .9.tll ~1 0.,107 0~.906.!~.Q~~2]0 0 ... 4280 0.4167 0 ... 4t06 '

-Het eindprodukt (D) bevat dus nog een weinig "reeiiiu" en een weinig bemzeen.

2. Materiaalbalan,!, gepae!!!!L2p ~~ uurp!9d~ktie.

Er moet 2 ton cumeen per uur worden geproduceerd. Dit ie 2000

-r2Q=16,6? krool/uur. 1 mol grondetofgas geeft O,10? mol cu-meen. Teneinde de getallen op de balans in krool/uur uit te

drukken, moeten ze dus allen met de factor 16,6?

O,lO? vermenigvul-digd te worden. Alle getallen op de volgende balansen zijn uitgedrukt in kmol/uur.

(11)

-10-Tabel VIII

Ingaána ~ä!

Jl)

Koe~aéul§J: Ültgäänd-gae {

C₃HS 19,48 1,72 2,S5 C_3H8 38,95 72, rlS 111,71 CSH S 97,23 O,lS 79,77 C 9H12 O,lS lS,83 C H 0,93 12 18 H20 4,44 4,44 Totaal lS0.2S-- 74.S4 21.§.I.~ ____

De nummers tussen haakjes corresponderen met die op het

etroomechema.

~È!.! .. 1~~ kolom Tabel X: ketel

In Uit Tn Uit )f .('7 J DJS-9 K t8) -I, t t2", ) _KJ~) G' (28 C₃HS 2,S5 2,65 C~H8 111,71 111,?1 C6HS 79,77 O,lS 79,61 95,12 79,61 15,51 C9H12 16,83 16,83 17,45 16,8~ 0,62 C₁₂H₁₈ 0,93 0,93 0,93 0,93 ~20 4,44 4,44 5,53 4,44 1,09 rrotaa1 216,33 114.52 101.81 lï9:03 11.01 .... 81 17-~ __ .1 ____

Tabel XI: condensor

_--

--UI"t---~-- _G(25)In _{L (2.6) koelgas.(6) LPG19J} C_3H6 6,70 4,05 1,72 0.93 C₃H₈ 279,35 167,64 72,76 38,95 ~ H 6 6 0,46 0,30 0,16 r.l'otaal 286.51 171 .... 99 74,64 39,88

Tabel XII: kolom

_-

_--_-Tabel XIII: ketel

-Uit ,.l~ - Uit In ,"F(8) D(12 +23 .. 22) KJ15] L'113) K (15) G' t14 C₆H₆ 79,61 ,_,79,59 0,02 1,64 0,02 1,62 C9Hl2 16,83 ! 0,16 16,67 280,13 16,67 263,46 C12H18 0,93 0,93 5,51 0,93 4,58 ~20 4,44 4,44 0,12 0,12 rI'otaal 101,81 84..1 19

_-

17 .. 62 287..1 40 17..1. 62 269,78 ---- - - -

(12)

-.

'

-11-Tabel XIV: condeneor en afscheider

In Uit G (10) (22) L (11) (12 ) (231 C 6H6 318,39 17,64 238,79 97,23 CgH12 0,62 0,46 0,16 ~20 7,24 2,80 1,79 2,65 'l'otaal 326.1 25 l7 ... 64 242.05 99,18 _~2É_... d. Cumeenkolom. 3.

Tabel XV: kolom Tabel XVI: ketel

In Uit In Uit

- -

]ijle)

Dl18] K{2J,

J

L~ï91 K121J G'J20o} C₆H₆ 0,02 0,02 CgH12 16,67 16,64 0,03 5,79 0,03 5,76 Cl2H18 0,93 0,02 0,91 59,13 0, 91 58,22 ~. 17.62 16,68 0.94 64,92 _O,94 63.98 :r~taal

Tabel XVII: condensor

In Uit

----C6H6 QJ1~~_ 0,06 ~~ 0,04 (17) PJ1~_-0,02 CgH12 66,56 49,92 16,64 C12H18 0,06 0,04 0,02 trotaal 66,68_ 50,00 l6~68 Tabellarieche ~~menvatting.

De materiaalbalansen zijn samengevat in tabel XVIII. De

stromen 2, 3, 4 en 5 zijn geschat n.a.v. de geschatte

con-vereiepercentages in de verschillende katalyeatorbedden.

Ze moeten in de praktijk naar behoefte geregeld worden •

Achter de kmolstrornen zijn de volumeetromen van de gassen vermeld; die , welker volume verandert door veranderingen in temperatuur of druk, zijn meerdere malen opgegeven. In dat geval is in de rubriek "bijzonderheden" aangegeven op welke toestand het berekende volume betrekking heeft. Van

de vloeistoffen zijn alleen de volumeetromen opgegeven voor zover ze op een temperatuur zijn, die in de orde van

kamer-temperatuur ie. Van de temperaturen daarboven zijn n.l. niet

(13)

---,

1 , . :,...-. J -

,

-I ~. t

i

,

---_ ..

.

Ptt

I"-f&S

.

~~

- . ,~

lIJ

. :> 1- .'

-, ..

-LPS

~-

_!

IR.

6 ",

..

ter

lS

~,"2~e., lP. / t'-~ 1.1 ~f~

,K

be,"~Qr\i~it

/i,t.tl\

J,; _, . -:

..

:.

•

: d't!~_cl. , --tl 1cc.t&1 v

1-1

;

g

g / 1/ A i Î ' ')o.l ~_ i , . . . _ . ,[ ;; CcNl· _ U vI' ~I ~ " IV - . -

_

. . _._~ \/

,a

It v 11 ., 28

U

1,1

I/

"

'i

i I • 3J

I/

(14)

- _{- -} - - - -- - -- - - -- -

-

-12-Tabel XVIII: overzicht van de kmo1-stromen

--u '-A; .nr C3H6 C3H

a

C6H6 C

9H12 C12H18 H2 0 Totäa1 Fase Temp.

IV. 1 • 1 • 19,48 38,95 97,23 0,16 4,44 160,26 Gas 740

cr

1.

, ,

170' 1 •

· _,

250' 2, 0,40 16,98 0,04 17,42

,

57' 3. 0,44 18,59 0,04 19,07

,

570 4. 0,4. 18,59 0,04 19,07

, ,

57' 5. 0,44 18,60 0,04 19,08

,

57' 6. 1,72 72,76 0.16 74,64

,

33' 6.

_•

57' 7 • 2,65 111,71 79,77 16,83 0,93 4,44 216,33

,

.

270' 7 •

,

220" 8. 79.61 16.83 0,93 4.44 101.81 Vlst 195' 9. 0.93 38.95 39,88

· _,

33' 10. 318.39 0,62 7,24 326.25 gas lOl' 11. 238,79 0,46 2,80 242,05 vlet lOl' 12. 97.23 0,16 1,79 99,18 gas 10~ 0 13. 1,64 280,13 5,51 0,12 287,40 v1st 177' 14. 1,62 263,46 4,58 0,12 269,78 gas 177' 15. 0,02 16,67 0,93 17,62 vlet 177' 16. 0,06 66,56 0,06 66,68 gas 154' 17. 0,04 49,92 0,04 50,00 vlst 154' 18. 0,02 16,64 0,02 16,68

,

154' 18.

,

25' 19. 5,79 59,13 64,92

,

197' 20. 5,76 58,22 63,97 gas 197' 21. 0,03 0,91 0,94 vlst 197' 22. 17.64 17,64

,

15' 23. 2,65 2,65

, ,

101' 24. 19,48 38.95 2,65 61,08 gas 30' 25. 6,70 279,35 0,46 286,51

, ,

33° 26. 4,05 167,64 0,30 171,99 vlet 33' 27. 95,12 17,45 0,93 5,53 119,03

,

195' 28. 15.51 0,62 1,09 17,22 gas 195'

-WARMTEBAL~§-=. Inleidins ..

De toe- of afname van de warmteïnhoud van een stofetroom is afhankelijk van de hoeveelheid stof, de soortelijke warm-te van de stof en het warm-temperatuurverschil dat de vsriatie in warmteInhoud veroorzaakt. Voor een bepaalde stofhoeveel-heid geldt: cP=(~)p. Aangezien dH=dU+pdV+Vdp en d~.dU+pdV,

is cp:(lli) • of cpdT:dH. Verschillen in warmteInhoud zijn

'ê)T p

dus enthalpieverschillen.

De soortelijke warmten van gassen en vloeistoffen en de verdampingswarmten zijn aan verschillende literatuurbronnen

ont~eend. (9, 10, 11). c is over het temperatuurgebied

tus-p

I-'I)rul{-Vol./u~r Bij zonderhe den

--1 atm 4565

m

-

V66r compressor 17,5" 3~3

, ,

na

,

.

17,5" 392

_{• •}

na warmtewisselaars 17.5" 27

_{• •}

17,5" 29

_{• •}

17,5, , 29, , 17,5, , 30

,

.

11,5" 163

,

voor compressor 17,5" llQ

, ,

na

,

.

16,5, , I 578

,

voor warmtewisselaars 16.5,. 528

,

.

na

, ,

11.5" I 11,5" 1 3490 13

I

1,75, , .$710 m 1,75" 1,75" .. ..1745

,

1,75" 1,75, , .: . .5690

,

I 1 J 75, , 1

.

_,

..

' .2340

,

1

,

1

, ,

2320 1. na koeler 1

.

, .

.

.' 1

, ,

.2470 m3 1

, ,

.

.'

.

I

1

, ,

f 1570 1. 1 , 75 , , ,." _{.... 48} _'3 1,75,,-" 1520 m 1 • •• ,' ',.625 " 11,5".' '15040 1. , 11,5, •.. · ₃

J

11,5" ,57.5m 11.l5L J · , ' _L-"

_.

- - -

(15)

-CSH S C H 9 12 , H 12, 18 2° 2.

-13-sen kamertemperatuur en ca. 250'C als een lineaire tempera-tuurfunktie te beschouwen. H ie dus een kwadratische tempe-ratuurfunktie, die een integratieconstante bevat. Er is

ge-steld dat bij 25'C voor vloeistoffen H.O. Op deze basis en

met b_{ehulp van een literatuurwaarde voor de}

verdampingswarm-te bij een bepaalde verdampingswarm-temperatuur zijn resp. de inverdampingswarm-tegratieoon- integratieoon-etanten voor de H van vloeistof en g_{as te berekenen. Door}

aftrekking van de H-vergelijkingen ie ~an de

verdampingswarm-te, hetzij als lineaire, hetzij als kwadratische

temperatuur-funktie te verkrijgen. De waarden zijn verzameld in tabel XIX. Tabel XIX Bn~fta:t

-.. ï~g~1 il{2i. 3,5xlO: 2t-14,3 0,84xlO:₂t _{2-22.7t- 572} 4,4xlO t-1S,5 1,54xIO t -24,5t- 622 2,2 6,2 S, 2xl 0-2 t - 18 , 7 3,1 xlO-2 t 2-30,4t_ 790 3,1 x10-2t 2-18,7t-91S3 2 10,lx10- t-48,4 10,2x10-2 t-34,2 5,05xlO-2t 2-48,4t-l243 5,1 x10-2t234,2 t-9820 14,OxlO-2 t-66,4 14,2xlo-2 t-49,7 7,0 xlo-2t 2-6S,4t-1704 7,1 xlo-2t2-49,7t-1050

18,0 0,18xlo- 2 t- 7,9 _18,Ot- ₄₅₀

0,09xlO

-Ze zijn uitgedrukt in kcaljkmol. De soortelijke warmten van de vloeistoffen propeen en propaan zijn verkregen door extra-polatie van waarden beneden -50'C; die van het "residu" (C_{12H18 )} door de waarden van cumeen te vermeerderem met het verschil

van de waarden van cumeen en benzeen; ze zijn daarom niet zo nauwkeurig als de andere. De temperaturen in de tabel zijn uitgedrukt in·C.

Bij de balansen van de verschillende apparaten zijn de wrrn-tehoeveelheden uitgerekend tot op 100 kcal nauwkeurig.

Menging van de~ndstofgassen.

Stroom 24 heeft een temperatuur van 30'C, stroom 12 van 101'C. Bij de menging krijgt de temperatuur een waarde t. _{Stroom 12 staat af:}

C H : _{97,23{3,lxlO-2 (1012-} _{t2)-18.7(101-t~:-3t2_l820t-214400} 6 6 : 1 " C H : _{0,16 {5,lX10-2 (1012- t 2 )-34,2(101-t)}=} _- 5,5t-SOO 9 12 H 20: l,79{O,09XIO- 2 (101gt 2 ) - 7,9(101-t)J= -14,;at- 1450 Totaal: _{-3t 2-l840t-21S450} kcal

, ,

.a...t. kcal Stroom 24 neemt op:

C 3H : 19,4811,?5xlO-2(t2_302)-14,3(t-30)~= 0,3t 2-278t - 8700 kcal C H 6 : 38,95{2,2 xlO- 2 (t 2-302 )-lS,5(t-30)j=_{O,9t 2-S42t -20000} _{f t} 3 8 -2 2 2 .. H 20 : 2,65{O,09X10 (t -30 )- 7.9(t-30)1' 21t - SOO " Totaal: _{l,2t%-941t -29300 kcal} Nu ie -3t2 .1840t-21S450a_{l,2t2 -941t-29300; hieruit volgt}

dat t 79 C. Aangezien stroom 1 een dauwpunt heefit van 70'C

t - 7,9t-l0261 ---'

--

-0, 0,7 -ll,7t-9953 -l4,2t-llC60 I 0,1 xlO-2t2_16,7t-12200₁ O,09xlO t -lO,lt-1O?lli

(16)

- - - - -- -

--~-- -14-I

bij l~tm, treedt bij de menging geen condensatie op.

Waar hier en elders in de warrntebalans "kcal! genoemd

wor-den, betekent di t "kcal/uur", tenzij andere vermeld. Van nu af zullen de enthalpiën niet meer expliciet worden neergeschre-ven, maar worden aanfeduid met de letter H met als index de temperatuur waarvoor hij geldt. Dit vanwege de

overzichtelijk-heid. ~Ir Î

3. De com r ssie tot reactiedruk.

4.

Door middel van een compreseor wordt het gas adiabatisch van 1 atm tot 17,5 atm gecomprimeerd. Daar de gassen ideaal worden verondersteld kan deze toeetandsverandering worden aangegeven volgens de vergelijking van Poiseon;

pl-4tT

=

c onstan t, waar in.t(: ~ en c • c -2, mi t s ze worden ui

t-Cv v p

gedrukt in kcal!krnol. Indien de temperatuur bij de compressie l-it

~

stijgt van Tl naar T2 • is T2=(~) .Tl • Omdat cp van het gas afhankelijk is, wordt voor ieder gas _{een andere T2 gevonden.}

In de praktijk wordt waarschijnlijk een gemid~e1de tempera-tuur bereikt. Uit de temperatuurverschillen zijn de enthalpie-toenamen voor ieder der gaseen te berekenen. Een eerste

schat-ting gaf een temperatuurstijging tot ca. 200'C te zien.

Daar-om is voor c steeds de waarde bij 140°C, de gemiddelde tem-peratuur, geRomen. Bij de berekening volgens Poiseon moeten de temperaturen in oK worden uitgedrukt. T

l:79.273:352-K. C3H6 C3 H8 C6H6 C9f.I12 H20 cp 19,2 22,7 27,4 48,5 9,1

-

_+-Tabel _XX Cv 17,2 20,7 25,4 46,5 7,1 ~,M 0,895 0,911 0,926 0,959 0,780

(~)~

1,35 1,29 1,24 1,12 1,87 P1 4540 K 436'K 394°K 658'K T₂ 475·K

t₂ 202· C 1810 C l634O)C 12tc 385'C Tabel XXI

De werkelijke temperatullr zal waarschijnl ijk ca. 170' C zijn. De enthalpietoename in de compressor is nu als volgt:

C3H6 19,48(H202-H79): '~6l00 kcal C3H₈ 38,95(H181-H79). 99900 " C H 97,23(H -H )~ 214600 " 6 6 l6~ 79 CgH12; 0,l6(H12l-H99)= 300

,

H2

9

4,44 (H385-H79)

=

11300

,

Totaal: 372200 kcal

~erhitting tot reactietemperatuur. Het in de reactor ingaande fgas moet tot 250'C

(17)

C₃HS C 3H8 CSH S C₉H 12 C_12H18 H 20 C3HS C3H8 5. CSHS C 9H12 C12H18 H20 ·15·

hit. Dit geschiedt in twee in eerie staande warmtewisselaars

door het uit de reactor komen~e gas. De _{toe te voeren}

enthal-pie is het verschil van de enthalenthal-pietoename bij temperatuur.

stijging van 790

tot 250·en de toename in de compressor. Uit

de warmtebalans van de reactor blijkt dat het uitgaande gas

een temperatuur heeft van 270·C; het daalt in temperatuur tot 220' in de wisselaars. Enthalpietoename str.l _{Enthalpieafname str.7} 19. 48 (H250-H~9)r SS800 kcal _{2.S5(H270·H220)·} _~8₀₀_kcal 38,95(H250.H79)= 158100

_•

_{111.71 (H270·H220)=} 152400

_••

97,23(H250.H79)& 481000

.

,

_{79,77(H270·H220). 134400}

••

0, lS (H250·H79)= 1400

,

.

_{lS,83(H270~H220)=} ₄₉₈₀₀

_,

.

O,93(H270·H220): 4000 J • 4,44 (H250·H79) = S200

,

_{4.44 (H270.H220)=} ₁₈₀₀

_,

Totaal: _{713500 kcal} _Totaal: _{345200 kcal}

Compre s SOl': ₃₇₂₂₀₀

& I '.Teveel ti : ₃₉₀₀

I I

341300 kcal _{341300 kcal}

Het "teveel" ie ontetaan doordat de temperatuurdaling van stroom 7 ie afgerond op graden _{Celsius en doordat de warmte.}

hoeveelheden zijn afgerond op 100 kcal nauwkeurig. In wezen daalt de temperatuur tot een waarde tussen 220· en 221°C, die in verband met de nauwkeurigheid van de berekening geen verdere precieeering toelaat.

De reactor.

In de reactor gaat: _{21.20 krool} _C~HS

Ui t de reac tor komt: 2, S5 •• L . L _

Er wordt omgezet: _{18,55 kmol} _C~HS

De ontwikkelde reactiewarmte is: l8~5 ~3400 ke~43~3400 _kca _'_. _j>'.;

de reactor gaat stroom 7 (270 ). _...,

_X

_~

In de reactor komen stroom 1 1250.) estroom S (57·J~0· it ~ b /

f'.rj. 0~ \ ...

r

(//1. ' . In _Uit 19.48H 250• 9l000+l9,48x3408kcal 2,S5xH₂₇₀• 13S00+ 2,65x3408kcal 38,95H_{250=2l4000+38.95x3179,.} _lll,71xH 270=677100+1l1,71x31?9,. 97,23H250~643000+9?23x9lS3,. _79,77xH 2 ?0=578700+ 79,??x91S3

'J

O,16H 250• 1900+ 0,lSx9820 ,. 16,83xH₂₇₀=218200+ 16,83x9820 " 0, 93xH₂₇₀~ 17500+ _{0, 93xl0500, ,} 4,44H_{250 :} _{9000+ 4,44xl02S1"} _4,44xH 270 = 9500+ 4,44xl02S1" C3HS l, 72H57 C3H8 72,7SH₅₇ • 1500+ l,72x~408 _•• =73500+72,7Sx3l79 ,. CSHS O,1SH 57 Reactiewarmte:

Tot8S11

=

200+ 0,lSx91S3 " 433400

_._.

- - - - : ; .

.

..;".-1467500+18,55x3408+17,62x9953 _{1514600+1i~S7x9820+} O,93xl0500

(18)

6.

7 .

8.

-16-De vermenigvuldigingen met de integratieconstanten der

en-thalpieën zijn niet uitgevoerd, omdat deze grotendeels tegen

elkaar wegvallen. Samengevat is de balans als volgt:

In Uit 1467500 kcal 1514600kcal 18, 55x3408 :: 63200

, ,

16,67x9820

=

163800 " 17, 62x9953 • 16.-1700

,

.

O,93x10500= _{9800 "} manoo 4200 !! 1692400 kcal 1692400kcat

Het "manco" is door dezelfde reden ontstaan als het teveel in de balans van de warmtewisselaars. In werkelijkheid zal de temperatuur van etroom 7 dus iete boven 270·C liggen.

De q-waarde voor de depropanisatieko1orn:

Het dauwpunt van stroom 7 is bij 16,5 atm 197°C; in de ~~om

wordt dus oververhit gas ingevoerd. De waarde van q voor~ye

teem benzeen-propaan dient te worden berekend. De molfractie

propaan in de voeding (x_{F )} ie 0,58~; 1-~cO,417. Een

benzeen-propaanmengeel van deze samenstelling he~ft bij 11,5 atrn een

dauwpunt van 142°C en een kookpunt van 56°C. Bij definitie is ~H-Hf, waarin H de enthalpie van de verzadigde damp, h

H-h

die van de kokende vloeistof en

Hr

die van de voeding

voor-stelt. Voor de berekening van H-h is voor de gemiddelde

ver-dampingswarmte van benzeen de waarde bij 99q genomen

(gemid-delde van 56- en 142°) en voor die van propaan de waarde bij

76° (gemidd~lde tussen de kritieche temperatuur 96,8 ó en 56~).

Voor 1 kmoMie nu:

Hf -H: 0 , 583 { 2 • 2x 1 0

-.c.

(220' -14

r

l ) +1

i '

5 ( 2îO -14 2 )

1

+

0,416(~.lxlO- (220 -142 )+18,7(220-142)}=1998 kcal.

H-h: 0,583 (-11 , 7x99+~953) +0,416 (-13 ,2x76+3801). 4990 kcal.

-1998

q- 4990=-0,4.

De condensor van de depropanisatiekolom.

In deze condensor worden de stromen 9 en 26 gecondenseerd"" "f, vI" C r,

De temperatuur is 33° C. Stroom 6 !9rdt niet gecondenseerd

77

/).!.. . (

en wordt daarom niet in de balans vermeld. R is het symbool \~

_--voor de oondensatiewarmte. ):_ ' t, '1. . ..< ,L

r

y C3H6 4, 98xR~3= 18500 koal C₃H 8 :206, 59xR33

=

732500

, ,

C6H6 0,30xR33_ 2900

,

Totaal: 753900 kcal Af te voeren warmte ~ 753900kcal

De ketel van de depropanisatiekolom.

In de ketel vindt verdamping van stroom 28 plaats bij 1950•

(19)

..

9. 10. l. ~i C6H6 C9H12 H20

-17-dezelfde toestand verlaat als waarmee hij er in komt.

In _Uit

C6H6 :15,51xR195 • 119100 kcal

C₉H₁₂ 0, 62xR

195 :: 5000

, ,

C12H18 : 1 ,09xR195 :: 9600

,

Toe te voeren: Q,cl 133700kca1 _Totaal: _{133700 kcat}

De compressie van het recirculatiegae.

Het recirculerende koelgas meet van 11,5 atm (de druk in de depropanieatiekolom),tot 17,5 atm (de druk in de reactor) worden opgeperst. De temperatuurstijging kan weer volgens

Poisson worden berekend. Voor cp is de waarde bij 40°C

geno-men. T_{l :306-K_} De _{temperatuur ie gemiddeld toegenomen tot 57°C.}

Tabel XXII _{De enthalpietoename in de}

com-Cv 13,7 1~ -1 0,870 tIe-l 1,067 (~)..-P 16,3 19,2 0,893 0,909 1,043 1,040

pressor ie in tabel

XXIIIweer-gegeven. Tabel '

,

'

,

32S'K T2 332·K 330"K Totaal: _kcal 56'oC tt 59°C 57o'C

Het dauwpunt van het gas is 53° bij 17,5 atm; er treedt dus _{bij de compressie}

geen _{condensatie op.}

De _{condensor van de benzeenkolom.}

De balans ie opgesteld voor de condemsor en waterafschei-der tezamen; ingaand zijn de stromen 10 en 22, uitgaand de

stromen 11, 12 en 23, benevens de afgevoerde warmte

Q.b-In _Uit stroom 10 _{stroom 11} 790 kco.l 318,~9xHI0~ _{702000+318,39x9163 238, 79xH} 101- 809000""238, 79x O,62xH101

=

7,24xH I01_ etroom 22 17,62xH101

=

2500+ 0,62x9820 O,46xHI01- 2500- 0,46x1243

.

_,

5900+ 7, 24xl026 J 2,80xH101

=

5100- 2,80x 450

, ,

etroom 12 8200. 17,62x 790 97,23xHI01=214600a- 97,23x9163 " O,16xH_I01:: _{600+ 0, 16x9820 .,} l,79xH_101: _{1400+ l,79xl0261"} stroom 23 2,65xHI01& 4900- _{2,65x 450 "} Q,b= 1949900

, ,

o Totaal 718600+221,16x9953+0,46xl1060 L __ 1 +5,45xl0711M101 2988000 kcal

(20)

11.

·18-Wederom zijn de integratieconstanten niet vermenigvul digd, omdat ze tegen elkaar wegvallen. De overblijvende constanten kunnen als volgt herleid worden:

In 221,16x9953 • 0, 46x11060.:::r 5,45xl0711= Totaal: 718600 2206000 5100 58300 2988000 Uit kcal

,

.

, I kcal 2988000 kcal

Dit is de samenvatting van de balans.

De ketel van de benzeenkolom.

.

In de ketel wordt stroom 14 verdampt. Er is bij iedere ke-tel aangenomen dat de temperatuur daarin en op de onderste schotel van de kolom dezelfde is, zodat de inkomende en uit-gaande v1oeietofstromen dezelfde enthalpie hebben en in de

warmtebalans niet vermeld behoeven te worden. De

kete1tempe-rat u ur i s 1 77 • C • In Q,b \:a 2306200 kcal Uit stroom 14 C6R6 : l,62xR1 77

=

12800 kcal C9R12:263,46~177=2250000 " C12H18: 4,58xR177= 42300 " H20 _O,12xR1?7= 1100 f ' Totaal: 2306200 kcal

12. De condensor van de cumeenkolom •

13.

De stromen 17 en 18 worden hierin beiden gecondenseerd bij

154°C. De af te voeren warmte ie dus gelijk aan de

condensa-tiewarmte. IN Uit stroom 17+18 C 6il6 : O,06xR154_ 500 kcal C9H₁₂ _:66,56xR154~ ₅₉₁₀₀₀

,

_,

C12H18 : 0.06xR154

=

600.,

To t a al: ~5-:::9~2":"l-:::O-:::O~k-c-a"""1-f

_'te

_-

_{592100 kcal}

De ketel van de cumeenkolom.

Hierin moet stroom 20 d

ver ampt worden • De temperatuur ie

.

1971 C. De

(21)

14.

v.

1 • -l. 9-In Uit stroom 20 C9H12 : 5.76xR197

=

47600 kcal C12H18:58.22xR197_ 521000

_•

~ t ;J 568600 kcal Totaal.: 568600 kcal

De cumeenkoeler •

Het cumeen komt bij een temperatuur van 154 C uit de con-densor; het moet tot kamertemperatuur (25 ) gekoeld worden.

Het betreft hier stroom 18; afgevoerd wordt de warmte ~18.

In stroom 18 C6H6 :0.02(H154-H25). 100 CgH12: 16 ,64(H154-H25)·123800 C12Hl8:0,02(Hl.54-H25): 200 Totaal: 124100 Uit kcal

,

.

•

kcal

KONSTRUKTIE DER APPARATEN.

Inleiding.

't18= 124100 kcal

In dit hoofdstuk zullen aan de hand van de etof- en warm-testromen de afmetingen van de apparaten worden berekend.

De zo berekende apparaten zijn "ideaa!". d.w.z. dat ze zijn

berekend op ideale toestanden en toestandsveranderingen. In werkelijkheid zullende evenwichten zich andere instellen.

zullen warmteverliezen optreden enz. Om hiervan een indruk te krijgen zal het proces eerst op semitechnieche schaal moe-ten worden uitgevoerd.

Hier volgen eerst enige algemene opmerkingen. die gelden voor groepen van bepaalde apparaten.

a. Warmtewi s~elaars r condensors en!..

Deze zijn allen uitgevoerd ais pijpenbundels. wier lemgten en doorsneden zijn berekend. Op de bundels bevinden zich aan

beide zijden loeneembare deksels, wier afmetingen niet zijn

opgegeven; ze bedragen, afhankelijk van de bundelgrootte.

enkele tientallen centimeters. Voor de bundels zijn steeds pijpen met een inwendige doorsnede van 1 inch en een uitwen-dige van 32,5 mm genomen; dit is een gangbare handelsmaat.

Deze buizen hebben pe

_Z

voet (ft) lengte een

uitwisselingeop-pervlak van 6,2745 ft ['1.2]. Ze worden zo mogelijk 3 (of een

veelvoud daarvan) meter lang genomen, omdat ze in de handel

in deze afmeting geleverd worden. De Wijze van berekening is

nu als volgt: ~w.A.U.(~T)lm. aangezien de

warmteoverdrachts-coëfficiënt constan~ wordt genomen. Voor de condemeors wordt

nu aangenomen dat er 600 kg water per uur door iedere buie stroomt; de temperatuurstijging van het water wordt geschat. Het aantal buizen ie nu te berekenen; uit de voorgaande

(22)

for-

-20-mule volgt het benodigde uitwisselingsoppervlak, zodat de lengte der buizen te berekenen is. De doorsnede kan worden

berekend met behulp van een methode, 1ie in de VDI-W

armeat-lae is aangegeven[13J .

b. Ketel s

Alle ketels worden verhit met stoom; de ketel temperaturen

zijn resp. 195° , 177- en 197- C. Teneinde van een goede

warm-teoverdracht verzekerd te zijn, is de stoomtemperatuur op

220· gesteld; de druk is 2~ atm, er vindt condeneatie in de

pijpen~laate~ De ketels zijn liggend uitgevoerd, waarbij de

pijpen over 180- zijn gebogen. De hele bundel is dan van éán

zijde uitneembaar, om schoongemaakt te kunnen worden. De

dia-meter van de bundel ie op dezelfde Wijze te berekenen ale

onder a genoemd; d~pijpdiameter ie wederom 1 inch.

Door de verschiltende aannamee die zijn gedaan, zijn de

berekeningen, evenals die van de condensors enz., nogal g

lo-baal.

c. Deetillatiekolommen.

2.

Voor alle kolommen ie een overall-schotelefficiency van

60% aangenomen. Dit ie een in de industrie veel voorkomende

waarde en daarom voor globale berekeningen als deze

voldoen-de. Dat is ook het geval met de schotelafetand; deze is steeds

op 60 cm gesteld. De dampsnelheid wordt steeds berekend met

de formule u:Kv\ffv-Pd (14J. De afleiding van deze formule

Pd

is erop gebaseerd dat bij een bepaalde schotelafetand en vloei-stofslot geen entrainment mag optreden: het gewicht van een vloeistof druppel en de kracht die het naar boven stromende

gas erop uitoefent zijn dan aan elkaar gelijk. Het

vloeietof-slot op de klokjeeechotel is steeds 2,5 cm hoog gekozen; dan is KvcO,17.(u ie dan uitgedrukt in ft/sec). Pv en fJrl zijn reep.

de dichtheden van ~loeietof en damp bij de gemid~erde

kolom-temperatuur. Deze temperatuur wordt ook gebruikt bij het

be-rekenen van de volumeetroom door de kolom.

Bij alle kolommen is de voeding op een hogere druk dan die welke in de kolom heerst; de voeding moet dus expan1eren,.

Dit veroorzaakt krachtige dwarsetromingen op de

voedingeecho-tel, waardoor de efficieny waarschijnlijk veel lager is dan 60%; daarom ie het berekemde praktische schotelaantal met

1 vermeerderd. De ketel wordt als een praktische schotel

be-echouwd.

Men~ing van de grondstofgaseen.

De menging geschiedt door propagas enerzijde en benzeendamp

anderzijds in een wijde buis te laten samenstromen. Een

on-belemmerde stroming is gewaarborgd door de zuiging van de

compressor, die de gassen tot 17,5 atm opperst. Bovendien expandeert de benzeendamp vlak voor het mengpunt van 1.75 atm

(druk in de benzeenkolomcondensor) tot I atm.

De benzeendamp heeft een temperatuur van 101° C en ie

daar-mee praktisch op zijn dauwpunt. Goede isolatie van de

toevoer-leiding kan condensatie daarom waarschijnlijk niet verhinderen. Deze kan worden verholpen door de leiding een kleine helling

(23)

4 •

5.

6 •

-21-te geven, waarvan het laagste punt vlak voor het mengpunt

der gassen is gelegen. Op dit laagste punt kan een verwarminge-spiraal worden aangebracht.

De compressie tot reactiedruk.

Dit geschiedt in een drietrapscompreseor; de trappen zijn: 1 tot3, 3 .zot 9 en 9 tot 17,5 atm. Er kan een gangbaar type gebruikt worden, dat in de laatste trap tot een wat hogere druk opperst. Om het voor 17,5 atm geschikt te maken, moet het gae na de compressie dus weer iets geëxpandeerd worden. De compreesor behoeft niet gekoeld te worden.

De compressie van het koelgae.

Het koelgss moet van 11,5 atm tot 17,5 atm gecomprimeerd

worden; dit geschiedt eveneens met een type compressor dat in de handel is en wel in ~~n trap. Hij wordt niet gekoeld

om condensatie van het gas tegen te gaan. Omdat de koelgasstroom wordt geregeld door de temperaturen in de katalysatorbedden

en hierin fluctuaties kunnen optreden, is het nodig om tussen compressor en reactor een buffervat te plaatsen. Het gas wordt nu opgeperst tot 18 of 18,5 atm, welke druk in het vat gehand-haafd blijft; loopt hij hoger op dan treedt een ventiel in werking dat de overmaat gas afvoert uit het vat.

Warmtewisselaars.

In de warmtewisselaars, die het gas op reactietemperatuur brengen, moet ~4l300 kcal/uur worden uitgewisseld. Ze worden uitgevoerd ale pijpenbundels, waarbij het te verhitten gas om de pijpen heen stroomt en het warmteafgevende gas (stroom 7) er omheen. Het drukverschil tussen de stromen is ~atm. Naar uit IV-3 en IV-4 blijkt, stijgt stroom 1 in temperatuur van ca. 170· tot 250· en daalt stroom 7 van 2700 _{tot 220}_· _.

, _To=50 en 4TL. 20 , hieruit volgt dat (~ T)lm. 32,8·C. U is

gesteld op 30 kcal/uur.m 2 . C. Dan ie A:~~~~~go=346,4m2:3724 ft~ Om tot een goede proportionnering te komen is een bundelleng-te van 12 mebundelleng-ter gekozen. Omdat in het proces nog een aantal kolommen voorkomen, ie het konstruktief bezien aantrekkelijk

om de wiseelaar(e) vertikaal te plaa~sen. De hoogste kolom is ca. 10 meter hoog; indien de wisselaar nog hoger wordt zou dit een te dure konstruktie eisen. De uitvoering is daar-om ale twee wisselaars van ieder 6 meter lengte, die zijn berekend ale áán enkele met een lengte van 12 meter. De pijp-lengte ~s dan l2x~,28:39,4 ft; de oppervlakte is dan 39,4xO,2745: 10,8 ft • Benodigd zijn 3724

10 8-345 buizen.

De afstanden der hartlijneh van twee naast elkaar liggende pijpen ie op 40 mm gesteld; indien ze in de zgn. driehoekver-deling geplaatst worden hebben de wisselaars een diameter van 810 mme

(24)

\

-22-Zoals reeds in 11-3 werd vermeld bevat de reactor 5 boven elkaar liggende katalysatorbe~1eD; hij is vertikaal en

cylin-l

dervormig (1,7). Omdat de li teratuur het tegendeel niet

be-~ weert zijn alle bedden even groot genomen. Opgegeven ie een LHSV (liquid hourly' space velocity) van 2,5. De LHSV ie

ge-definiëerd ale het volume vloeistof dat per volumeëenheid

katalysator per uur door de reactor stroomt. Deze literatuur-opgave is ietwat eigenaardig om~at de reactie geheel in de gaefaee verloopt. De vloeistofvolumina zijn bij 2500 niet

7.

te berekenen omdat propeen en propaan dan in euperkritieche fase zijn. Berekening bij een temperatuur vlak beneden de kritische temperaturen van propeen en propaan (reep. 91,4°C en 96,80_{C) zou een} _willekeurige _{keuze t.o.v. de}

reactietem-peratuurbetekenen • Om deze reden zijn de volumina bij 20°C

berekend; in deze temperatuur ie ook nog een zekere willekeur,

maar niet zo'n grote , omdat hij dient ale normRaltemperatuur voor vele fysische constanten en groother3en. De

vloeietofr'licht-Tabel XXIV k~

~ k~~îï~

C3H6 bb

o

13,1 C₃H 8 50 1 11,4 C6H6 87 9 11 ,3-C9H12 86 2 , 7,2 C12H18 84 5 5,2 H₂₀ 100 0 55,5

--heden bij 20·C zlJn verzameld in tabel XXlV.

Ter berekening van het

. , -str. 1 6 C~H6 C~H8 C6H6 C₉H l H2,O C~?~6

C3fie

C 6H6 Tabel XXV kmol/uur

-

_19,48 ~8,95 97,23., 2 0,16 4,44 1,72 72,76 0,16 ~ m""fuur 1 ,49 3,14 _ 8,60 0,02 0,08 0,13. 6,38 0,01

---

_{Totaal: 19.1..êL}

--katalysatorvolume is uitgegaan van de ingaande molenstromen, n.l. stroom 1+6. Het doorstromende vlo

₃

ietofvolume per uur

i~, naar uit tabel XXV blijkt, 19,85 m • Het ketalysatorvo -lUIDe ie 1~:~5=7,94 m3 . De 1iRmp.ter ie op 1,5 weter gesteld;

dan is het oppervlak van ~e doorsnede l,77m 2 • De hoogte van ieder der bedden ie nan 7,94 1

l,77X5=P:~ meter.

De tussenruimten tuseen de bedden zijn 0,3 meter; de afstand

van de~op tot het bovenste en van de bodem tot het onderste

bed zi'jn ieder 0,5 meter. De totale hoogte is daarnoor 6,7 meter. Dekeel en bodem zijn bolvormig uitgevoerd, evenals bij

de destillatiekolommen, warmtewisselaars enz.

De bovenzijde van de reactor is ale afneembaar deksel, voor-zien Van( ê~drukveiligheid, uitgevoerd. Hierdoor ie de kata-lysator, <he op uitneembare roosters ligt, te verwisselen. De invoer van stroom 1 geechient rjaarom zijwaarts.

Depropani6ati!ko~

a. Kolomafmet!n~e~~ 0

De gemiddelde temperatuur in rje kolom is 115 C; de groot-ste gasstroom , n.l. die boven de voerjingsschotel, is 286,51

(25)

'\-:

-23-kmol/uu

_S.

Dit betekent een vo1umestroom van 79~ m3 /uur of 0,220 m /eec. Het gemidde19 moleculair g~wicht van de damp ie 49; dan ie e~.17.7 kg/m3 • pv=777 kg/m~. Nu is

u:O,17

V

777-17

:~ ,ll~ ft/sec.O.~38

m/sec. Het doorsne tieopper-17,7

vlak van de kolom ie 0,220;0,651 m ; de diameter ie 0,91 m. 0,338

Er zijn 10/6 x 6:10 praktische echotels; de 7e van boven is de voedingeechotel. De kolomhoogte is ale volgt berekend:

9 echotelafstanden van 0,6 meter ieder: 5,4 m

ruimten boven de le en onder de 10e schotel:2xO,5. 1,0 m Totaal: 6,4 Il'l

b. Conden sor.

De koelwatertemperatuur ie, zoale overal elders, op l5~C gesteld. Aangenomen wordt dat hij oploopt tot 25°C; de tem-peratuur van het gedeeltelijk condenserende gas is

35b.

Hier-uit volgt: ~To=8°, AST.4.I:18 en (AST)lm=-12,35°. U.700kcal/m2 uuroC; dus Aa~90Q __ .86,1 m2=926 ft 2 • Het koelwater neemt 10 kcal/kg

12,~5x700

-op; dus moet er 753900/10=75390 kg/uur noorstromen. Benodigti zijn 15~90=126 pijpen. De oppervlakte van 11ft buntiel ie

600 .

126xO,2745~~3,6 ft 2 • De lengte van de bundel is 926 -27 5 ft=

33,6- ,

8.4 m. De condensor wordt horizontaal geplaatst; daarom is deze lengte nogal onpraktisch. Om deze retien wordt de conden-sor gekonetrueerd met 2 passes van ieder 4,5 meter. De

bun-(met 252 pijpen) heeft een doorEnetie van 675 mm en een lengte van 4,5 m.

c. Ke tel.

De warmteoverdrachtecoëfficiënt ie geeteld op 2500 kcal/uur/ft2 Het verhittingsoppervlak ie 1~~799=53 p ft 2 .

8.

- 2500 ,.,-':.

Voor deze ketel ~ijn buizen van 6 ft lengte gekozen; hun opper-vlak is 1,647 ftG

• Nodig zijn 53,5 _~~

1 ,647 - "''"' bui zen.

De lengte van de bundel ie ca. 3 ft; de diameter (voor 66 buizen) ie 365 mmo

Benzeenkolom,,!.

a. Kol omafme tingen •

°

De gemiddelde temper~tuur ie 139

C;

de grootste gaeetroom

326,25 kmol/uuLW6290 m~/uur.l,?5 m3/sec. Het §emidde~

mole-culairgewicht vm het ae' 84; fd:4,34 kg/m en fv:730 kg/m3 •

Dampsnelheid u=0,17 7~;:~~~4:2.2 ft/sec=0.67 m/eec. De

opper-vlakte van de doorsnede ie ~:2,6l m2 ; de doorenetie is 1,85 m. O,6?

Er zijn 8 theoretische schotels, ~.w.z. 10/6 x 8~1~ prakti-sche. Voordat de voeding in de kolom komt, moet hij worden

I geëxpandeerd van 11,5 atm tot 1,75 atm. Vanwege het grote

~ \- drukvel'schi 1 i s ter hoogte van de voe tiingsschotel naast de

(26)

oei-

-24-stof geecheiden de kolom worden binnengevoerd. De vloeistof

komt op de voedingeechotel, de damp vlak onder de erboven

liggende schotel. Deze schotels zijn extra toegevoegd, zodat

in de kolom 15echotele aanwezig zijn., waarvan de ?e de

voe-dingsechotel is. De hoogte van de kolom is:

14 echotelafetanden van 0,6 m

=

ruimte onder de 15e en boven de le schotel: 2xO,5 m: Totaal: 8,4 m 1,0 m 9,4 m b. Condensor.

•

De condenserende damp heeft een temperatuur van 101 C; de

koelwater temperatuur stijgt, naar aangenomen wordt, van 15~

tot 40-C. Het water neemt 25 kcal/kg op; benodigd is dUB

1949900 ?8000

25 =78000 kg water per uur; d.w.z. de condensor moet 600

=

130 buizen bevatten. ATo=6lo , 4TL=869 , dus (.~T)nn.?6~. U ie

weer ?OO kcal/m2.uur.·C, zodat Ac194990g~36,6 m2: 394 ft 2 •

76x700

1 ft bundel h~eft een oppervlak van l 30xO,2?45 ft4:35,? ft 2 ;

de bundellengte iS3;~~=11 ft.:3,36 m. De diameter ie 550 mm.

c • Ketel.

9.

Per uur worden toegevoerd 2306200 kC8l; bij een warmteover-drachtecoëfficiënt U.2500 kcal/uur.ft2 betekent dit een

opper-vlak van 23~620Q=922,5 ft 2 • De buielengte ie 6 meter gekozen,

500

d.i. 20ft; het oppervlak van êén buie ie 20 x 0,2745:5,49 ft 2 •

Benodigd aantal buizen: 922,5=168. De bundel is ca. 3 m lang, 5,49

de diameter is (voor 336 buizen) 850 mm. Cumeenko lom.

a. Kolomaf~eti~~~ •

De gemiddelde temperatJ,.lur ie 1?5 C .• De grootste gaestroom

is 66,68 kmol/uur:a24.50 m~/uur=O 68 m~/sec. Het gemiddelti

mo-leculair ~ewicht van het gas is'~30, hieruit volgt dat ~d=

~,54 kg/m. terwijl fv=670 kg/rn~. De dampenelheid

u:O.l? 670-3,5=2,34 ft/sec.O,?l m/sec. De oppervlakte van

3,5

de doorenede is 0,6~=0,96 rn2 • Dan ie de diameter 1,15 m.

O,?l

Er zijn 10 theoretische schotels, d.w.z. 10/6 x 10=16

prak-tische, waarvan de 5e van boven af gerekend de

voedingescho-tel ie. Kolomhoogte:

15 schotelafetanden van 0,6 mieder:

ruimten boven de le en onder de 15e kolorn:2xO,5 m= Totaal:

9,0 m

lrO.m_

10,0 m

b. Condensor. (J

De conaënsatietemperatuur is 154 , er is aangenomen dat

het koelwater in temperatuur stijgt van 15· tot 50~C. Het

water neemt 35 kcaljk g op, er dient per uur door te stromen 592100_