4 . t 'fi
Laboratorium voor.
·
Chemische
Te~hnologie
_ .... _-.--1:.:.. ..
....
.-I
Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp
van
.
...
:,.~..
~~~g~m~J~~9-...
.
...
.
...
.
onderwerp:
.~
hydratatie van propeen
apres: vn
Hasseltlaan
565 - Delft,,'
" ,.
~ "
.
o
o
o
o
o
• 1o
o
() :, 0 ()o
Delft
I4
~pr.'78
(
DE BI'~HEIDING VAN ISOPHOPANOL
---DOOR
(
fll'!!W--DIREKTE HYDl{ATATIE VAN PROPEEN
(
(
(
(
(
naam
.
.
Jo Horgenstond opdracht I7 jáno I978( 1
---
adres: vno Hasseltlaan565
plaats: Delft
-
Hollandc
<.
( ( ( ( ( (o
o
o
SANENVATTINGDe bereiding van isopropanol door direkte hydratatie in de vloei-stoffese van propeen(in aanwezigheid van een katalysator)heeft als groot voordeel een hoge omzettingsgraad.
In het Tokuyama-soda proces reageren propeen en een "zure"
kataly-sator oplossing in ~.,rater bij hoge druk(groter dan de verzadigings
druldcen)en temperatuur onder het vormen van isopropanol(IPA), met een grote selectiviteit voor IPA.
Onomgezet en opgelost propeen wordt uit het reactieMengsel ver-wijderd door drukvermindering en gerecirculeerd.Het mengsel,dat vooral w'ater en IPA bevat,wordt via destillatie ven.,rerkt tot een alcohol product met grote zuiverheid.
Alle nevenproducten,gevormd bij dit proces,worden als brandstof benut.De levensduur van de katalysator is erg lang vergeleken met soortgelijke processeno
Eerekeningen voor een isopropanol fabriek,volgens het Tolmyama proces met een productie van 50,000 ton per jaar werden uitgevoerd voor
de reactor en de destillatie-kolommen.Centraal hierbij stonden massa-en .. :armtebalans,afmetingen en soort.
(
(
~
KONKLUSIE
Het Tokuyama-soda proces (direkte hydratatie) is veel goedkoper en mileu-vriendelijker dan het "oude" zwavelzuur proces (indinkte hydratatie) voor de bereiding van isopropanol.
( De lage propeen concentratie in de voeding , lange katalysator
.
---
.. ..--..."levensduur" en hoge selectiviteit moeten het werken bij hoge
druk en temperatuur rechtvaardigen. Een vergelijking met het
Texaco en het Veba proces , die bij lagere temperatuur en of
( druk werken , moet dan ook in die richting gezocht lV'orden ,
( ( ( (
o
o
o
omdat de destillatie-sectie voor alle drie ongeveer hetzelfde is. Berekening van of de beschikking over nauwkeurige
kinetische gegevens zijn nodig om de hoge seiectiviteit
(99%)
teonderschrijven.
( ( Hoofdstuk I ( 1.1~' 1.2. (
3.
'
1.' ( 3.I.I. ( (4.
4.1.
{4.2.
5.I.'o
5.'I
.'I~' 5.I~'2 0o
(', INHOUDUitgangspunten voor het ontHerp
---Productiecapaciteit en bedrijfstijden
Grond - en hulpstoffen
Eigenschappen en constanten Beschrijving van het proces Procescondities
Reactie Inleiding
Tokuyama - poda proces
Destillatie
Vloeistof - damp evemV'ichten
1:{erklijncn Overall - rendement Diameter kolom ~E~::~~~~:: Reactor Destillatie 1-larmteuisselaars Vloeistof' - gasaf'scheiàer Uassa - en w'aT1::1tebalans Uassabalans TIeactor Vloeistof gasafscheider
IPA - water - destillatie kolom
Lightend - IPA destillatie
IPA - Benzeen - Hater destillatie
Benzeen - stripper Blz. 1 2 2 2 2
4
5
5
5
5
7
7
8 99
99
IO IO II II II II II 12 .I2 I213
<.. HoofdstUk
-:---(
5.
2 • 7 • ( ( 6~J ( ( ( (o
Clo
llarmtebalans Reactor Stoomvoorver~varmer Luchtkoelers Top - condensors Ketel venlarmers Grondstoffen en utilities Bijlage I : Reaktorberekeningen Bijlage 11 Bijlage 111 Bijlage IV Bijlage V Berekeningen destillatie-kolommenMollier diagram propeen Productie en prlJzen van propeen
'I
~. Hassa en warmtebalans Apparatenlijst Literatuurlijst Elz. 13 13 13 14 I~ 1415
16
1819
24
25
26
31
( ( ( ( ( ( (
o
o
INLEIDIKGVana~ de commerciele productie in 1920 wordt isopropanol (IPA) in verschillende industrieen toegepast. In de chemische industrme
als o.a. oplosmiddel , extractiemiddel en grondsto~ voor de
bereiding van aceton. In de verf - en cosmetische industrie vooral
als oplosmiddel.
(r;;-In grafiek I en 2 (zie b~agè) zijn de productie-cijfers en
prij-zen gedurende de laatste jaren gegeven.
I
Tot 1960 werd IPA voornamelijk geproduceerd door indirekte hydratatie van propeen met behulp van gec. z'ill'avelzuur. De in eerste instantie gevormde z\-lavelzure ester -,,"ordt in een tlll'eede stap met water
gehydro-2yseerd tot alco~ol.
De hoge corrosie en energie(indampen van verdund zwavelzuur) kosten tezamen met steeds strengere mileuwetten hebben na 1960 de vraag naar andere productiemethoden doen toenemen.
De drie hoofdprocessen die de laatste jaren on~lI'ikkeld zijn en op
industriele schaal worden toegepast , berusten allen op de direkte hydratatie van propeen in aamll'ezigheid van een "zure" katalysator
a. Veba proces hydratatie in de gasfase van propeen bij 2200C
en 50 atm.(vaste katalysator)
b. Texaco-trickle proces : hydratatie van propeen in de vloei- '
stof~ase
bij IJO - 1600c
(vast~k;t--.../""'..
c. Tokuyama proces
ionemvisselaar) en 80 - IOC atm.
hydratatie van fase bij 250
propeen in de
vloeistof-2800C en 200 - 250 atm.
(katalysator in oplossing)
Bij genoemde processen zijn de nadelen van het "oude"
zwavel-zuur proces afwezig. Een onderlinge vergelijking leek dan ook
een geschikt uitgangspunt voor het vooront'ill'erp.
In eerste instantie werd voor het Tokuyama proces gekozen ,
van-wege de lanB"e katalysator levensduur vergeleken met het 'l'exaco proces en de hogere omzettingsgraad dan het Veba proces , waardoor er minder
propeen gerecirculeerd lll'ordt en dus het percentage propeen in de \ :
C ( ( ( ( ( ( ( (;
o
(1 2I. UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP.
I.I. Productiecapaciteit en bedrijfstijden.
De te heeft
ontHerpen isopropanol fabriek (volgens het Tolruyarna proces)
een productiecapaciteit van 50,000 ton (95%) rPA per jaar of
meer.
Het aantal effectieve arbeidsdagen bedraaet J50 dagen per jaar , met gemiddeld 20 bedrijfsuren per dag.
I.2. Grond - en hulpstoffen~!
---Commercieel propeen van ongeveer 95% en gedeioniseerd proces\mter
worden gebruikt als grondstoffen.'
Als katalysator gebruikt men een natrium - silicium - .wolfraamzure
ve!,binding(NaJHSi(W JOro) 4) die opgelost ,.,ordt in het proces\vatèr (ongeveer O.DOI mOl/I).
I.J.
Eigenschappen e~ constanten.---Fysische constanten , explosiegrenzen , macw'aarden en corrosie as-pekten van de bij het proces betrokken grondstoffen en producten
zijn inde tabellen I , 2 en J vermeld o Onder mac-\vaarden verstaat
men de maximale toelaatbare concentratie , waaraan de mens
bloot-gesteld mag worden(door inademen J huidcontact e.d.)o
Tabel I : Fysische constanten
Naam water propeen propaan isopr.ether benzeen 2-propanol natrium-~Tatersto:f ., !wolfraam Isilicaat
I
, ! ! Formule Toestand H2 0 vloeistof CH JCHCH2 gas CH JCH2CHJ gas (C J H7 )20 vloeistof C 6H6 vloeistof CJHSO vloeisto:f INaJHSi (>IJ
O,4V
I
vloeisto:fI
1 Holgew. 18.015J 42.0S 44.II 102.18 78.12 60.11 I , 2946 Kpt.p(kg/m
~---- . -_ .•. _-- -(OC) 100 1000 ~47.4 5I9. -!~2. 07 500. 68 724 80.1 879 82.4 785 • 3-)-jI
J
5
.5 1 _ _ __ - - - -_ __ ..:.. _ _ _ _ _ _ __ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ____ ...C 3 Tabel 2
.
.
Explosie grenzen en Nac-waarden bij I atm. en kamertemp.---e~D1Q~ie_~~On~eD
Nac-'vaarde ( ppm)
component :formule onder boven
c...
propeen C
3H
6
2.00 II.IOpropaan C3HS 2.I2 9.35
.(
benzeen C
6
H6
I.40 7.'10 25(huid)isopropanol C 3HSO 2.02 II.SO 200 ( isopr.ether (C 3H7)2 0 SOO ( I,
( Tabel ~ Corrosiebestenàigheid van constructie - materialen (I9)
Alcohol Benzeen
---
---(
I
R•
v•
s•
0.02 jr 0.02/jr , -(lage temp) Staal O.OS/jr 0.02/jr ( (lage temp)I
Gietijzer 0.05/jr 0.02/jr (lage temp) Hastelloy -B 0.002/jr 0.02/jr-( ( ( ( .( ( () ()
BESClffiIJVING VAN HET P710CES
Voedingspropeen en gerecirculeerd propeen ,,,orden in vloeibare toestand op een druk van ongeveer 245 bar gebracht(PI P3) en
middels een stoomvoorverw'armer(H6) tot 900C voorverhit. Tegelijk
worden voedings'tvater en gerecirculeerd proces, .... ater ook op een druk van 245 bar gebracht (P2). Viét ,·;armteui t't'lisseling met het reactiemengsel uit de reactor wordt het onder druk staande water
verhit tot een temperstuur van ongeveer 2~20C(H4) en vervolgens
tot 2920C door een t, .... eede stoomvoorverwarmer(H7).L
Water van 292oC(245 bar) en vloëibaar propeen van 900C(245 bar) worden samen in de onder drmk staande reactor(R8) gevoerd, waar
de reactie pluatsvindt.
Het reactor-effluent , dat hoofdzakelijk 'vater , isopropanol en
katalysator bevat, '\vordt na warmteuit,dsseling doord~_er
m~ van niet gereageerd en opgelost propeen gescheiden(V9),
dat gekoeld en gerecirculeerd wordt (HIItIP3) • Een wate;ige--
isopro-panol - katalysator oplossing wordt in de eerste destillatie
kolom(TII) gescheiden in een katalysatorvrij azeotropisch mengeel IPA - H
20(87 't'lt.~i IPA) en een katalysatoroplossing in lvater t die
gerecirculeerd wordt (P2). In een t,,·eedc dest. kolom(TI7) ,'ordt het
azeotropisch mengsel gescheiden van lichte fracties(in dit eevul
isopropyl ether). Het mengsel wordt hierna in een derde kolom(T22)
middels azeotropische destillatie(IPA - Benzeen - '\'later) ver'tverkt
tot een product met een zuiverheid van 95 - percent isopropanol.
De damp(nlet azeotropische samenstelling) t die uit de top van de
kolom(T22) en de kolom(T29) verd'~djnt 9 'tvordt na koeling
geschei-4
den in een benzeenrijke - en een waterrijke fase. De benzeenrijke
fase w'ordt in (T22) te1"'tlggevoerd en de ,.,raterfase , die ook IPA en benzeen bevat, wordt in (T29) van benzeen gescheiden. Bovenin
kolom(T29) krijgt men dump met azeotropischo samenstelling en
onder-aan een 'tvater - isopropanol mengsel(22 .... rt.~~ IPA) , dat gerecirculeerd
wordt naar de eerste kolom(TII).
De vier destillatieprocessen worden allen bij ongeveer atmosferische
-
--r 1,.. (
c
( ( ( (c
()o
n
{'5
PROCES CONDITIES Reactie(a)
3.I.Io
InleidingEr bestaan vele methoden voor de direkte hydratatie van propeen
in aanwezigheid van een vaste katalysator. Als katalysator "\'lordt
dan meestal gebruik gemaakt van o.a. metaaloxiden zoals
"\yolf'raam-oxide t vaste zuren als aluminiumoxide , mineraalzuren op dragers
(Si02) ~n kationemYisselaars. Bij al deze processen vindt de reactie
\ in de gasfase plaats
(I)
met een lage omzettingsgraad (2).' De hoge,( ILconversie die bereikt "\'lordt als de reactie in de vloeistof'f'ase
'. vi I. • .
~~~ plaatsvindt , zou komen doordat gevormd isopropanol in water oplost
"fJ-"' en het evenwicht naar rechts verschuift
(J) •
Experimenten in devloeistof'fase met genoemde vaste katalysatoren leverden niet de ve:n'lachte hoge conversie door deactivering van de katalysator
(kristallisatie e.d.). Direkte hydratatie in de vloeistof'f'ase in aamlezigheid van een mineraalzuur( als ka talysa tor) heeft als nadelen
de vorming van nevenproducten( polymeren) en corrosie.·
3.I.2.
Tokuyama - sod<:!. procesBij dit proces zijn de nadeleib. ,genoemd in de inleiding, afw'ezig. Direkte hydratatie yan propeen in een waterige oplossing en in
aamvezigheid van een bepaalde silicium - "\volf'raamzuur radicaal
4-
-
-«Si(WJ010
)4)
) -
en waterstof'ionen concentratie resulteert inconversies van 60 - 70 mol.
%
en selectiviteiten van95 - 99
%
(gebasseerd op omgezet propeen) voor isopropanol(4). De optimale -4
silicium - wol:fraamzuur radicaal concentratie ligt tussen
J.J
~ 10en 0.01 mol per liter. Een hogere concentratie dan O.OI mOI/l geef't geen merkbare activiteitsverhoging en veroorzaakt corrosie
van de reactor. Optimale ~I waarden liggen tussen 2.5 en 4.0 •
Lage pH veroorzaakt polymerisatie en corrosie , hoge pH verlaagt de hydratatie - activiteit.
Een hoge H
20 concentratie gaat polymerisatie tegen en beinvloedt
het evemvicht gunstig. Een optimale H 0 - propeen
(ge'·l.
·
)verhou-~ .- 2
ding 'yerd gekozen
(4)..
\~, ~';vv>"": ~l...-.:A. 7 \ ~ v-~J.r.-V.
\
...
"~~ rr-Y Temperatuur.---Uit grafiek J blijkt dat een lage temperatuur voordelig is voor
( (
c
f, tc
( ( (o
o
6bij hoge temperatuur (I70 - 300
Oe)
uitgevoerd (4) , waarschijnlijkhangt dit met de katalysator activiteit (zie fig.
4).
'
Voor het onhlerp "lerd een reactietemp. gekozen van 280°C .'
Druk
..
---. ,
,
Belangrijk is de druk tijdens de reactie boven de verzadigingsdruk
van ,,,a ter te houden. Hogere drukken kunnen de omzetting alleen
gunstig beinvloeden (graf.
3).
Voor het ontwerp 'Nerd eenreactie-druk van 245 bar aangehouden.
... -.... --100
_ - - - -
,
À-if . 0r
~ 10(
",
..
0 o ~ 10 ~~ 'z;5 •• o%:i'l
êii 0 '0 a:O w..J > cl 40 Z 0...1 0>- JOe /
0...
.
~ tO J/:f
/ e
0.. 0 r.II la...
0 0 1000 UOO 4000graf.' J PRESSURE (P.5.IGl
:IHVJ~ Equilibrium conversion to isopropyl alcohol as
function of pressure ., Kinetiek
---"'V~I' - .--... --.... - .. ,,-.. ,- .::;;v---.- ---.- --.-I ~ l • C', ': ; "
\J'\
\ . 'y'" ''v,-,v''-' ) ,. , ~ 701 , - - - , Ö ~ Ö 65 c:.
ê...
.: 60 c: ,; 5S..
..
> c: o ~ 50 c..
>....
~ 45 I p.. 24h;0:--~25"'O -,2;7CJ:;----;;2""70.---",28""O--.2!90 Temp~ratur~ (·e)Data obtained ·.\'ith Tokuya:11:1 calalyst syslem at 200 kg/em"·G.
Fig. l1- Effect of Tc:npC'raturc on ?ropylcne
Con-vcrsion 10 Jsopl'Opanol ;11 Liql:ic!-Pha~c
Hydratiol)
Bij het Tokuyama proces vindt de reactie plaats tussen opgelost propeen en w'ater in de vloeistoffase. De hydratatie ,"ordt
voornamelijk bepaald door de (chemische-)reactie stap
(5).
Door de erote overmaat ''later kunnen "Te de kinetische
ver-gelijking opvatten als een pseudo - eerste orde vereelijking
(5),
k l
=
Cpr=
Cl=
Kl=
R P = snelheidscontante propeenconcentratie in oplossing isopropanolconcentratie in oplossing evem~ichtsconstante in de vloeistoffase Verder goldt (6) log Kl=
(2045/T) 5.08(
c
(c
c
c
C'lo
o
(îVoor het ontwerp geldt
=
4.17 X IO -2 (~ubst.' T7
=
553K)In
(7)
"lord voor dezelfde reactieconditics (temp. , druk enkataly-sator) als het ontwerp een vcrblijftijd~ van 354 s gevonden.
Als reactor 'verd ecn continue tank gebruikt (aanname).
Uit de massa ~ balans voor een continue taru~ volgt
=
Na substitutie van
l , )"
en Kl vindt men voor lelk I.2 X IO-
4
I -. /.
,-',JI/"--L ~'-'\ Reactie-,·.rarmte
De reactie - warmte bedraagt ongeveer 12 kcal/mol (8). ~ ~
... 1
.,
.-3.2. Destillatie
3.2.I. Vloeistof gas evenw'iehten
Voor de bepaling van vloeistof - gas evenwichten "lordt gebruik
gemaakt van in de l i tera tuur gevonden 'vaarden (Tabel
4).
Tabel
4 :
Vloeistof-damp evemdchtenSysteem Referentie
IPA - H2 0
(9)
IPA - isopr.ethor (IO,II)
(
c
(c
(c
o
o
o
3.2.2~' 1verklijnen (r4)Een werklijn geert het verband aan tussen een vloeistorstroom
en een gasstroom tussen t""ee contactplaatsen.' voor de berekening
van l~erlijnen zijn de volgende voorlvaarden gesteld
a. De kolom w'crkt adiabatisch.
b. De molenstroom in de kolom 1s constant;
Voor de lt'erklijn boven de voedinesschotel(z~g.re ,,,erklijn) geldt
Y
m+I
~:.m+I ~
X~l
+ m mOI,m Na invoeren van R=
ilj
I~ld
' = + xd~Ol.d
geldt(I/H+I)
.
.
x d (b)(c)
8m
=
nummer van de kontaktplaats (nur.unering van boven naar ben.)Voor de ''lerklijn onder de voedingsschotel( zog.2e "lerklijn) geldt
Bij binaire systemen kan deze werlijn grarisch ,.,orden bepaald
door het trekken van een lijn door h.et punt (Xk'Xk) en het
snij-punt van de re "ierklijn met de lijn x = x r ' onder voor'\vaarde d~t
de vloeistof' op kooktemperatuur wordt ingevoerd (IJ).
Voor niet binaire systemen geldt vonder dezelfde voorl'raarde als
r
....,.:P'--bij binaire systencn)
=
I +9iOl
ef n=
nummer contactpInuts x n9201.k
(U+I)rA
.
'foI.o1,d x k( ( ( ( (
c
o
o
o
Bij de kolombcrekeningen ''lorden met behulp van vloeistof
-damp evenwichtsgegevens de concentraties van de verschillende
componenten bij het verlaten van de contactplaatsen bepaald
9
en met de 1'1erklijnen de concentraties tussen de contactplaatsen,
totdat de gewenste productsamenstellingen bereikt zijn(dit kan
grafisch als nummeriek).
3.2.3. Overall rendement.(E o )
Aantal theoretische schotels/Aantal praktische schotels
=
E oHet overall rendement voor de verschillende kolommen kan bepaald worden met behulp van de empirische relatie tussen Eo en het product van de relatieve vluchtigheid van de sleutelcomponenten
en de viscosi tei t van de voeding(
=J..
~r9 (I5).Voor de kolommen T22 en T2g zijn experimentele Eo waarden
ge-bruikt ( I2 ) .'
3.2.4. Diameter van de kolom
De diameter van de kolom is gebasseerd op de bepaling van de
maximale dampbelasting ( ) . 1-1et de voorwaarde dat de
super-ficiele dampsnelheid 80% van de maximale snelheid mag bedraEen wordt de diameter van de kolom bepaald (I6) :
= dampstroom (m3/s )
=
diameter van de kolom= superficiele dampsnelheid
4.
APPARATtJUR4. I . :~eactor.
Bij een productie van 50,000 ton IPA per jaar is gekozen voor een continu proces. Voor de reactor komen in aanmerking een buisreactor of een tankreactor (of een combinatie van de t1'1ee).
Een continu geroerde tank reactor (C.S.T.n.) is ge-kozen , doordat :
a e De twee reactanten zich in de
vloeistof-fase bevinden
(
c
(c
(c
o
o
o
nodjg is (hoge conversie propeen en '\iater hebben verschillende
temp. bij het intreden van de reactor)
/ '
,
c. De hoeveelheid te recirculeren propeen klein is
, waardoor het volume van de taru< niet ongunstig
af''\djkt van dat van een buis bij dezellfrèe con-dities (voor een eerste orde reactie) (I7) •
d. De hoeveelheid reactiewarmte niet te groot is.
Als reactormateriaal blijkt roestvrij - staal zeer geschikt
(4).
Bij de berekening van het reactorvolume geldt :
Volume
=
verblijf'tijd totaal volumedebiet(m
3/s).
De verblijf'tijd is berekend volgens een pseudo - eerste orde
reactor-vergelijk~ng (zie J.I.2.) •
Koeling van de reactor geschiedt met lucht (c;oedkoper dan , .... ater).
Het reactoroppervlak kan geheel gekoeld '~'orden (grote diameter) of'
gedeeltelijk (spiralen).
4.2.
Destillatie.Voor de destillatie kolommen wordt gel<hzcn voor schotelkolommen
a. Nakkelijk te reinigen b. Relatief laag gewicht
c. Vloeistof' , darupevenwichten gunstig , waardoor een niet te
groot aantal schotels nodig is.
Berekening van de eerste twee kolommen gaat volgens de Nac-Cabe-Thiele (graf'ische) - methode(makkelijk). De derde en vierde kolom worden nUli1ll1eriek uitgerekend als een ternair-mengsel.
Voor de eerste drie kolommen zijn zeef'platen als schotels gebruikt :
a. Goedkoper, dnlicval laag, grotecapaciteit.
b. Werkgebied van de kolom ligt binnen het optimale Gebied voor
zeef'platen (geen doorlelclcen van de platen).
Zeef'platen l..-unnen bij de laatste kolom niet toegepast 'vorden ,
van-'\iege de laee dampsnelheid (doorleld<en van de platen) , hiervoor
worden klepschotels gebruikt.
4.3.
Warmtewisselaars.l (
c
c
c
( 1 -( ( (o
o
o
Harmtel.,isselaars zijn uitgevoerd volgens het pijpen - mantel
ontwerp. lIet aantal wisselaars ' .... ordt gevonden door te ,.,erken
met een temperatuurefficientie (F) die groter is dan
60%
(T8).Warmtewisselend opp.
(A)
=
warmtestroom(t/>w)
/U
X F )(ó.Tlog
u
= w"armtcoverdrachtscoef'ficiént AT=
logarithmisch temperatuurverschil log4.4.
Vloeistof~ • gasaf'scheider---Het volume van een vloeistof' - gasaf'scheider wordt bepaald door het product van de verblijf tijd en het volumedebiet • De
verblijf-tijd is afhan1{elijk van capaci tei t van de pomp of ventilator t die
) de vrij gekomen damp veT'\'iijderen.
HASSA - en 1{ARHTEBALANS
---S.T. Massabalans~
Een massabalans werd opgesteld aan de hand van het blokjesschema (zie bijlage).
5.T.I. Reactor (R8)~
I I
In
.
.
In de reactor komen een propeenstroom(rt!
' w"aterstroom(~
)-een onzuiverheidsstoom
(~)
• lioen Nu geldt
W.
=~
+
%
ep/tc
=
11. S'trA.
cp;"
=(,- f)
~fo
\epI,
=0.0=ï3
tt,
Uit
.
a~~ ToprlJLe
•
b o Bodem
rpW~J
=~
-t
~
5.I.20 Vloeistof - gasaf'scheider (V9) •
In :
r6 _
''/1.0 -
(j cl = (kgis) (kgis)(legis)
(kgis)=
/.2J/j
7á
r \.. " - ;-r '. 8
o
U i t : Top -ifJ/k
.
Bodem -
rp4)
~
ril _,
~
Prx -
[1I.:JLj
+
f )
~o
5.I~'3.- IPA - ,-rater destillatiekolom (TIl).
I n : ""
-t
d.
t"W
'f/H.l R
12
Uit : Top
-1,/ "
(;t~
...
e
42.1<)
+
Cl- (
Xf,/
e
!i.IZ)
t-
,Y
fL
Bodem -
rp
H
tI'. ;
[I
~;I::
-y)p,<? -
CtDfi
-r
r:
/J-/;Ltf
)n;1
Pil,
1\Nu geldt :
sd..(70)
d,a
=
(gew.) ~ractie watery = (ge'".) ~ractie onzuiverheid (=light ends)
5~II.'4. Lightend - IPA destillatie (TI7)
•
In het beschom"de proces is isoprop~l - ether als lightend
aangenor.1en.
In :
~/t
Uit Top
-
rA;
.:s.!J%
-
-1-
e1j~
Bodem
-~
-rR
trit
e
=
(gew·.) ~ractie IPA in de azeotroop.50'1.'5. IPA - Benzeen - Water destillatie (T22).
In:
~; Tf0~
Ui t : Top -
~1:z~
-
rA~
Opm :
van
I3
heeft de azeotropische samenstelling. De samenstelling
,J./
is bekend uit het ontmengings diagram voor IPA"f/.2,z
( Benzeen - Water
(I3).
(
c
C'c
(io
o
5.I.6~ Benzeen - stripper (T~l)
•
In :
c/J~
Uit : Top -
rb;!
Bodem
-PII.z.~
De
samenstellin~
van~H~A
(dus c en d) volgt uit de samenstellingenvan
9':z
enp.2ó' ·
;/.8
Door het vastleggen van ~z<
=
2.00 kg/s en de constanten a,c,d,e, x,y w'ordt de massabalans voor de verschillende apparaten b(~rekend(zie bijlage )
5.2.
Warmtebalans---Bij de berekening van de warmtebalans wordt gebruik gemaakt van mollier - diagrammen en data - boeken (I9,20j2I,22) 0
5.2~'I~' Reactor.
I n :
cfl
/-t,
JO
toe.
o
r;,!op~-z.-f
rA
1-!29~
oe
'f//io
4.z()Reactie,\·;armte :
:è~w
X63e
('-iij)
-t ( ,,-
X
'
-!f
Jri>
IIcPcOc;'
/W
Itt.o
5~'2Z2. Warmte't'lisselaar (H4) •
\farmtestroom - ( '
oj
)
X r!
-
r~W--j fJl-kO<. <. ( (
o
o
o
5.2.3.'
Stoomvorverwnrmer(n6
f H7~ Warmtestroomn6
=
enthalpieverschil en ''lordt bepaald uitmollier diagram voor propeen ( zie bijlage )
Warmtestroom H7
=
CPHo
XIn Tabel
5
zijn de condities van te gebruiken stoom aangegeven.50
'
2.4.
Luchtkoelers(H5 ,
HIO)Warmtestroom
II5
;:
r/PI{)(
.ófl
enthalpieverschil , bcpaald hit mollier diagram voor propeen
Warmtestroorn HIO
=
In Tabel
5
zijn de condities voor lucht gegeven.5.2.5.
Top - condensors (HIJ , HI9 , H2
7)Warmtestroom r
topprodo
14
Als koelmiddel lvordt koelwater van 200C gebruikt , dat door de pijpen
van de condensor( s) stroomt 0 De ui tgaande stroomtemp~' voor koel'va ter
isgesteld op 400
c
(cPB ;: 4.I8 KJ/kgOC .)2 0 Materiaal : staal
5 0
2. 6~' Ketel vCr'\"armers (HI2 , HI8 ,II25 ,
H28)Warmtestroorn == (R+I)
rA
t)(
.
'ff,70
"iJr
ketelprod'"
(
c
c
c
(o
o
o
Tabel
5 :
koel - en verwarmingsmedia voor "I·rarmte' .... isselaars.H5 BIO H6 H7 HI~2 HIB H2,5 H2$ stoom in I900C + + 3 bar stoom uit 3 bar I300C + Stoom uit 3bar I750C + Stoom in 40 bar 4IOoC + Stoom uit 40 bar 380°C + Lucht in 25°C + Lucht uit 400
c
+6.
GR ONDSTOFFEN EN UTILITIESVoor een i'abriek met een capaciteit van 50,000 ton IPA per jaar (volgens het Tokuyama proces) 'ITerden de volgende hoeveelheden gevonden :
Propeen 0.703 t (per ton IPA)
Proces' .... a ter
"
I04 11
LoD.' stoom 9.57 t 11
IJ ~"D. stoom 25 t 11
I6
l
-SYr.mOLENLIJST
---( Symbool Omschrijving Eenheid
---
---
---R reactiesnelheid/kmol lonol/m3s p ( k l reactiesnelheidsconstante s
-I
C concentratie mOl/m3-r
verblij:ftijd s ('1
omzettingsgraad ( y molfractie in de gasfase x molfractie in de vlet.faseC m(lssa stroom kg/s mOI/s
R terugvloeiverhouding C Eo overallrendement
oZ
vluchtigheid Cl viscositeit cp D diameter m 0u
g dampsnelheid misf
dichtheid kg/m3 0 u darnpsnelh. in perforatie g,p 0 M molecuul gewichtc soortelijke warmte KJ/oCkg
p
0
symbool ( H r
c
Indices---D,F,K ( m,n
c
l.gc
c
(o
o
o
o
omschrijving enthalpieverschil verdampings,,,armt e condensat~ewarmte betrokken op dest., voeding,ketelprod. contactplaatsen vloeistoff'ase, dampfaseI7
eenheid KJ/kg KJ/kg(mol)l ( (
c
(c
o
o
o
BIJLAGE I I. REACTon D";~;EICEl';JEGEN •_nJ,
~-vJ~rv • c(/"'./v---l.I. Volume.
Temp.
=
280°C ; druk=
245 barpH
=
3.0,
• katalysator conc • = O.OOI mol/l)
= 0.'71 selectiviteit=
99%
L
=
354 sL-Totale voedingsstroom
=
0.073 rn3/sVolume reactor = 354
stel reactor dan voor 80 ~ gevuld , duà totale volume
reactor wordt : I.25 25.8
=
32.3 m3Neem een reactor met een volume van 32 m3
I.2 Koeling.
1/armtestroom
=
IOOO EJ/sAT
=
IO oe c=
I KJ/kgOClucht P
Hoeveelheid lucht = IOO kg/s =
83 m3 js (
=
I.2 kg/m3 )ATlog
=
250°CStel warmteueerstand lucht 0 0008
It 11 11 I~ - Water : OoOOI 11
"
n It Reactor: 0000I9 ftDus de totale warmtew'eeratand = OoOII
"
De totaal geschatte warmte overdrachtscoef'f'icient (U) is :
Warmtel.;isselcnd, oppervlak (A) is
=
.
.
/"\ F = I\
Bij gehele koeling van de reactor komt dit oppervlk.' overeen
j11et een diamctor van J rn en e<;)n hoogte van
h.
'
5
m (cylinder)19
BIJLAGE II
---( II.x D
---
ESTILLATIE l~OLOf.!l'·IENI1.a Schot el berekeningen
---r
Tabel I : bepaling aantal schotels---TIl TI7 T22 T29 Rmin 0~'4 49
c
R I~'4 200 2.96 0~'0044 (ketelreflux) ( (,,)IPA .0~'026 0.995 0~'67 0.078 (1-)Benz.' - 0.002c
(~)water
0~'974 0.'33 0.92 (x ) F Ether 0.005 .. . ( (XD)1PA 0~!67 0~'24 0.078 (xn)BenZe' 0~3002 Cl (xn)water 0.'33 00'92(~)Ether
0.76 (xK)1PAI
0 0.81 0.078 (x ) I-
-
-
-K Benz.'o
("K)water I 00'19 0.92 2(~)Ether
5 10-5o
r:p
f'1tof.F
I204 48 47.'89 9.17o
tpf'~
()
48 O.II 9'.'I7 0.01~cPrnrl;
I<
1I56 47089 38~'72 9.I3Theor.scho- 6 I2 13 4
tels
-c
c
( ( (' r ' '-~) C") 0 0 'I'abel11
---20
Voorbeeld van de berekening van vloeistof - en
damp-samenstellingen in kolom
T22
met behulp van ,.,erklijnen evenwichtseegevens.
Schotel nr. Werklijn
Evemvicht-gegevens Werklijn Evem'lichts-gegevens
I-2
3-4
5-6
7-8
9-IO
II-I2
I3
XI
=
Xw
=
y=
I y=
l{---= 0.33
=
O.6I ~=
0.2I
XI = 0.68
Xw
= 0.I8
XI
=
0.75
~f=
0018
x=
0.79
I
x 1>1 =0.186
x~---;-Ö-.1fI-XIV=
0.I89
---molfractie IPA in molfractie water molfractie IPA in mol:fractie ,,,at er
XI = 0.I23 YI = 0.17
=
0.25
YI
= 0.
'
16
Ylv =0.34
=0.3
YI = 0.46
Y
w
= 0.19
YI
=0.6
Yw
=
0.I68
YI
=
0.75
Yi'J'
=
0~'I8YI
=
O.SO
Y\v-
=
0.199
Xw
=o.
41~XI =0.56
Xvi =0'~'24XI
=
0.64
X
w
= 0.I9
XI
=0.71
XW
= 0~;I7XI = 0.78
x1f=
0.184
XI
=
0.806
~v=
0.I94
de vloeistoff'ase in de vloeisto:ff'ase de gasfase in de gas:fase-- 0 .. 26
YI
=
0.2
YI
=0.4
Yw = 0.23
YI
=0.55
Yw
=0.18
YI
-
0.69
Yw
=0.17
YI
=0.77
711=
o.
I8l~l (
c
( ( ( , .. ( Io
o
() -11.b Overall ______________________ 0 rendement • (E )Tabel III
.
.
Bepaling overall rendement---Kolom Gem.kolom temp. Rel. vluchtigh.' Voedingsvisc.
TII 900C 21.9 TI7 730C ·3.39 II.'c Kolomdiameter (D k )
---Gegevens
.
.
b=
overlooprandhoogte ( =0.5 rn) q=
vloeistofbelasting/kolornN~~~3±3~~
=
gem. rnassastroorn(kgis)
~ = belastbaarheid
-J?
=
gem. dampdichtheid ~=
gem. vloeistofdichtheid Qg=
dampstroom (m3
js) 0.'166 0.I66 21 E 0 (:~) 37 57 I BerekeningNet behulp van de grafiel\: , 'tvaarin
~Î'1la"
tegenCf,t/6
is uitgezet (I6) wordt de maximale dampbelasting berekend. Verder geldt
u g,max u g
=
0.8 u g,max =(mis)
(mis)
(
c
( ( ( ( (o
o
o
22Tabel IV Berekening kolomdiameter (Dk )
---Kolom
~
~2
f{
fl
~~
Lt:J.
"'''-l:Dk
-(kgis)
(kg/s)(kg/m
3 )
(kg/m3 )(mis)
(mis)
(m)TII y~'32 26.I2 0.35 8I7 0~'098 4.7 2.3
TI7 4~'422 6.6 0.35 8I7 0~I03 4.97 2.I
T22 0.776 2.776 0.5 830 0.082 3.34 0.9
T29 0~'002 0.I94 0.5 970 0~'025 I.I O;I
II.d Drukval
---Drukval in de kolom
=
totaal aantal schotels drukval / schotelGegevens
Berekening
.
.
6P
=
drukval over de kolomAPt :: tot. drukval per schotel
u
=
dampsnelheid in de per~oratie g,pti>
=
schuimdichtheid CD=
doorstroomcoe~~icient h=
overlooprandhoogte wh
=
vIst.hoogte boven de overlooprandow
g = z'\."aartekracht versnelling
F
=
vrije ruimte plaat / kolomoppervl.h wordt bepaald uit q / b (I6)
ow
O.I
c
r.
.
r '.o
Cl'
h=
0.05 m w u = uI
F g,p gTabe1 V : Berekening van de drukval over destillatie kolommen
---Kolom F u u h P P
g g,p ow' t
(mis)
(mis)
mm Io-3bar barTIl O.'IO 3.76 37.6 30 8.'4 0~'l43
TI7 O.IO 3.98 39.8 23 8~'5 Oe'IB
T22 O~'lO 2.67 26.7 42 8.'0
0.2h4
T29; O.IO 0.'88 8.8 25 3.3 0.033
23
c
c
BIJLAGE
I I I :
Mollier drgram---
van propeenc
c
o
()o
o
·1o
(
c
fX() 900 BOa 700:600
r ~ 500 1,00 300 200 ( I 11 ! , ~-It
è
J r--"!<s-m
...,1
r, 100 • ( 100 90 80 70 60 70 50 40 ( {tar] JO 20c
"-ti " c§ 50
4 J 2 0 1,0 0.9 0.8 ~ 0Abb. 1. Mollier I. p·Diagramm Cür Propylen,
Enthalpie j in kj/kg; Entropie s in kJ/kg 0, Temperatur I Jn GC; Druck. ,P in bar; spel.. Volumen v in m"/kg: s = 1.00: J = 1000,0 ac. kritischen Punkt.
o
I.
c
c
c
c
( ,,- '-0o
o
,I· (J BIJLAGE IV++---Productie - cijfers en prijzen van isopropanol
_t 0
:t
__
49 71~ ISOPROPYL ALCOHOL 499 P,oductoon - Isop,opanol 0.9 =--r----r-,-,..--,--.-r-.----., ---.-,..--,---,----.r-.----r-y-,--,---, 2.0 0.8 1.6 0.7 1.4 ~ c: " ~ 1.2'·~ b 0.5 045 1.0 0.4 0.8 0.35T
J
1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 GRAFIEK I P,ict - lsop,opanol 60 15 14 13 50 12 c: R..
.. "..
~11 ~ C..
ë 40~ u 30 1954 1956 1958 1968 1970 1972 1974 GRAFIEK 2 ,. t,25
-.
VOE
nrN<1
I .... ( '"' .)mR
5'5 IJ
S
tlZ
0m
F I!/bE/;O.t?
éA/.o
~
Ij' );
êI
o
o
o
o
o
o
, ' jR EAC TO R P16 POMP
LA GEDRUK AFSCHEIDER T 17 DESTILLATIE KOLOM
LUCHTKOELER H 18 REBOILER
DESTILLA TI E KOLOM H19 CONDENSOR
REBOILER V20 ACCUMU LA 10 R
CONOENSOR P 21 POMP
ACCU MU LATOR T22 DE S TILlATI EKOLOM
POM P P 23 POMP
u
tl P 24 POMP H25 R EBOI LE R V 26 ACC UMUL A TOR H27 CONDE NoOR H2B REBOILER T 29 DESTIl..l.ATIEKOLQM P 30 POMPu
ISOPROPiL ETHER..
t
I,) PROCESSCHEMA TOKUYAMA SODA J Moroenstond OStroomnr. ~Temperatuur In (,,) L' I SOPROPANOL". ".',:" . '.' ~' .. , \. -, to" ,. 0' ~ • ." ;, .... , ?'.' , . -~ .... " , .. ;' '~ . "'" ,~'. '.: .... ' .~... :',. ;-'.': :": ... '.,: !\ ' ...
:j'~:~;i~:;_
., .. , .:~ . .c
(o
o
o
o
(' r t < ~
IN
M
Q
Voor-waarts
M
Q
0.7 . 2Sh . 1 - - - 1 " ,/ ·3.I4 2 I.323977
e;[.h
86
' II-• .5 32I42o
50
o
-...,..;I~.s
6.2
1---I---r-.l.<5~-__ 2I~-O
~---~---r_~.~~ 28026 BIJLAGE V ~~~~~'::~~~~~Massa -en
Warmtebal ans
(
KtS/s en KJ/s)
RlCydC \/0" O,'N<J1- ~(AhiR ~/A.T':fi f>" ". I~
,@
n'~ ...-t..
@
J
-- -lU~H-r-
~ I""-"
1~
lI.5 _ ..~
i
_:[
- 'P-H6_
I
Hc"''' ,'Îco~ll I~j
I_.
-
SToof} S ,0.-9.,1'1 1-~~I
't"H7
.. ---".I
" - -- - . RBI
1--~"OpIJ~I
0007 L -_ _ _ ~ _ _ _ _ _ ~ _ _ _ ___ ,26
Retour
UIT
M
M
Q
Q
t-20 ___ 8 r-.9:J..I1 23"362 '30603 3.'14 0.54 526.2
! I I · 2 _ -.1.1.:.2.28 __ .50~
!
-_ . •I
•
®
-- -r -~,
\ V9-~
-
-...,
UC.1~ LuCH~_ 2J2L
2J2 IIIO -."
-__
_
_
lf/J
.
_
-22.822Y
IOOOOI
-..
1---vp
, r o.9Ilt---
- - - -
SI2 TIl -- -! '0I
.... ~---~---~~----~ , re ~lbo'1
-HI2 tcuO).-
-
5.J2 -Joh,6. flI'
~
Af'
4-HTe:..~ HIJ '" Il:lt- 2 l
n55
Ir 11<'
.
o
@-l' 2. 7l~ -~
-o
VlqI
...
r ,j~I
--- - ---..--~~
--I
IN
waarts
Voor-
Massa -en
Retour
UIT
Warmtebal ans
M
Q
M
M
M
Q
Q
2.216 1099Q
§?
---
-f
•
~..
'I TI7.
-~,...
...
1
·
'
HI8~ ~T
~
~t&.'
..
1.62 748I
I ' - - - ) r -I
K~~
.
ItItR
HI9---+
45.2 7581.31i
l
I
-I
11'o
I ~ I:r
·11-~-
v21 1o
~,'"
...--~
I~FIZ,.
- - . -. -.. Ö.022 4 -"" ... ... '" J~o
T22 , - -·1r
2.00 975i
~'T....
.
--
I1
-
--
-1
." ". _." ..-.
___ i
l
" ' - -_ _ _ 1 _ _ _ _ __ '-1 •
'r
! ~ \. .,-g
T
(XJd1 ~ 0.62 I733 <lC(\)-0.62 273 -
fI
25
.
--
l'
t
-~_
.
-
.
t -2.5-_
.
v26-.
-~. -I ~.
..
r I505. 1k:
(.JATéR H27 1 -~. I7.9 ~l
/ I7~'9 3005.4.
"
r Ir 0.002 r d-00(1,.e
.·
0.0008( 2.4 J I 0.00086 0.4 0~'I<)6 80 - T - H28çE)
..oL ~ :J..
, 0 T29 00
.. Öl (
c
c
e
o
o
o
Apparaatslfroom
, Componenten
\A
I
r-;
TFR
erg
n
L'E
tl~
l\z{~1
~
iJ Cl 1\ '-r
c.~,.., t}f r,OPI,)'"L
T I J '::;O(},1DOL{UttJ) It. JTot aal:
Apparaatstroom
, Componenten
Totaal:
M
in
kg/s
a.
in
kW
o
o
J,Z
M
{~/~'\ Q '11)1 -..;:-.
~I.
fJ63,
(''). 6 ~M
a.
u
, \ ,I ) 1,1 I ) /~,
1.3
M
0.
M
Q
M
Q
M
a
,?j),C(jn_
;-L
C), '-")jj C'A ()L
( I I ..0;
! I (') () I Cl ...J IM
a.
M
Q
M
a.
M
a.
'
I
Stroom/Componenten staat
)
f3I
Appara<'lt No: R 8 V ~ V
IJl
TI7
V2))
Hydratatie Vloeistof'
-
Topaccurrru- Schotel-
Topaccumu-Benaming,
reactor gasaf'schei- lator kolom lator
type
(t.n. )
der Abs.of effe 3( druk in bar245
'
5
I
I
-
2
I
temp. in oe280
I30
80
75
66
Inhoud in m332
Diam. in m3
1 / h in m4.5
Vulling: 3( schotels-aant.2I
vàste pakkingkatalysator-type Poly
-
zuur-
,
,
-
vorm·
...
·
...
·
...
Speciaal te
ge-bruiken mat. Roestvrij-staal
aan.tal
I
I
serie/parallel
o
o
)
Apparaat No:
T II T 22 V 26 T 2<)
Benaming, Schotel
-
Schotel-
'l.'opaccumu- Schotel-type
kolom kolom lator kolom
Abs.of eff.
*
druk in bar atmos:ferisl: atm. atm. atm.
temp. in oe 90
75
66
75
Inhoud in m3 Di?-m. in m 1 / h in m Vulling: iE r schotels-aant.17
31 10 vaste pakking katalyaator-type ..-
,
,
-
vorm·
...
·
...
·
...
Speciaal te ge-bruiken mat. aan.tal I I I serie/parallelo
o
,
~PP~E~!~~!!~~!_!~~E_~~!~!~~!~~~!~~E~~_!~E~~!~~~
Apparaat No: H
4
H5
H6
H7
H IO~enaminp;, varmtm.,isse- Luchtkoeler voorver
-
voorverwar- luchtkoelertype laar rea c tOl: warmer ,.,armer
voedjnR Medium pijpen-I Reactie
-mantelzijde nr. /voedin,Q Capaci tei t, I uitgewisselde15768
47
214
31
61
3479
warmte in klJ. Warmtewisselend oppevl. in m 2805
Aantal
pa~ärf~{
4
serieAbs. of erf.
*
druk in bar pijpen-I
245
I mantelzijde I temp. inI
uit ~80I
130 I 0 . ,... -~! inr.
I I pijpzijde90 / 262
mantelzijde Speciaal te ge-bruiken mat. ()*
aan~even wat bedoeld wordt)
Apparatenlijst voor pompen, blowers, kompressoren
---Apparaat No: P I P 2 P :3
c
:3
=enaming,
iJ'oedings Voedings- necycle- Recycle
type
~omp pomp pomp compressor
te verpompen
-I Water Propeen Proeen Propeen medium Capaciteit in
t/d
of kg/s*-Dichtheid inkg/m
3 ZUig-/persdruk in bar(abs.of I/
246 20 / 245 242 / 2455
/ 242 eff. *) temp. in°c
in / uit Vermogen in kW theor./ prakt. Speciaal te p,e bruiken mat. aantal serie/parallel*
aangeven wat bedoeld wordtLITEP.ATUURLIJST
(I) : Brennsto:f:f Chem. bd. 38 (23/2 4) , blz.' 357-362 (1957) (2) Ind.' Eng. Chern. 26 , 208 , (I~34)
(3) : Ind'~' Eng.' Chem. Prod o Res. Dev~' vol I , nr~' 4 ,296 (1962) (4) Ger: O:f:fen 2,022,568 (1970)
(5) Bull.' Jap. Petr. Inst. vol.I5 , nr.'l , may 1973 (6) Ind. Eng. Chem. 30 , 203 , (1938)
(7) Ger~' O.f'f'en 2,022,568 tabel III , blz.20 , kolom I ( 8) Hydroc.' proc.. nov. 1972 , blz. 1I5
(9) : "J.' Am~' Chem~' Soc. , 43 , 1005 , 1921
(10) Ind~ Eng. Chem. , 32 , 123
(II) J. Chem. Eng. Data , 15 , 222 , 1970 (12) Kagaku Kogaku 29 (4) , 229 , 1965 (I3) : Jo' Am. Chem~' Soc. , 57 , 303 , 1935
(I4) Fys-" Techn~' Sch. meth. G. KoK en P.' Zuideveld (I973), 7'+-77 (I5) Peters and Timmerhaus ; Plant design and economics f'or
(I6) (I7) (I8) (I9) (20) (2I) (22) chem. engineers blz. 632
Collegedictaat pro:f. Zuide~veg
prof'.' P vd Berg e.a. Chem. Reaktorkunde (I970)
prof'. E.'J. de Jong Collegedictaat
Perry - Chem. Eng. Handbook
Chem~· Ing~' Techn. 33 , 417 , (l96~)
R.U. Galant - Physical properties of' hydrocarbons : Handbook of' Chemistry and Physics (1974 -I975)