Fixatie van kooldioxide in propyleencarbonaat als een nuttig chemisch produkt

(1)

•

• _T

_U

_Delft

Technische Universiteit Delft

• FVO Nr.

Fabrieksvoorontwerp

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Onderwerp

Fixatie van Kooldioxide

in Propyleencarbonaat

als een nuttig chemisch produkt

Auteurs

Telefoon

M.A. den Hollander

Th. Vergunst

Datum opdracht : 19 februari 1993

Datum verslag

: 2 maart 1994

(015) 618171

(01731) 7591

(2)

8/;;

• C (

.eX1h~

)

I

o

C{

~

v~

ve

y-

cG..

ut

e

_l

i )

•

(3)

•

M.A. den Hollander Hendrik Tollensstraat 318 2624 BS Delft 354130

oduktie van propyleencarbo

~1

:ç

-à

0i:;:

\

iF;:'Th. Vergunst

~l~

..

F71kortelandseweg 25 ~'t~*-v' 2631 ND Nootdorp 872457 Opdrachtdatum: Verslagdatum: 19 februari 1993 28 februari 1994

(4)

•

• _n

•

Fixatie van kooldioxide

Samenvatting

Kooldioxide is één van de gassen die verantwoordelijk gehouden worden voor het broeikaseffect. Een manier om de kooldioxide emissie te beperken is door middel van che-mische fixatie. Voorwaarde bij de cheche-mische fixatie is dat er meer kooldioxide verbruikt wordt, dan er geproduceerd wordt. E cr" reactieprodukt is in dit creval propyleen-carbonaat, de cyclische ester v ropyleenglycol en diwatersto car onaa .

Met dit doel is een fabriek ontworpen voor de produktie van propyleencarbonaat met een capaciteit van 10000 ton/jaar. Grondstoffen zijn kooldioxide en 1,2-propyleenoxide. Als katalysator voor het proces dient tetraethylammonium bromide. De reactie is exotherm en vindt plaats bij 36 bar en ±190°C in de vloeistoffase met een grote overmaat propy-leencarbonaat om de temperatuurstijging te beperken. De omzetting naar propyleencarbo-naat is vrijwel volledig. De belangrijkste bijprodukten zijn propyleenglycol en aceton.

De zuivering van propyleencarbonaat vindt plaats door middel van verdamping en con-densatie bij een druk van ±0.1 0 bar.

Uit het ontwerp blijkt dat er 0.431 kg kooldioxide per kg propyleencarbonaat omgezet wordt en dat er 0.649 kg kooldioxide per kg propyleencarbonaat geproduceerd wordt, zodat er dus meer kooldioxide geproduceerd dan omgezet wordt.

Ondanks de negatieve kooldioxide balans is het proces wel rendabel. Met een omzet van Mf 40.0 en totale kosten van Mf 29.3 bij een investering van Mf 35.6 is de return on investment 15% en de internal rate of return 10.4%.

c\~~

7e-+

c!~ I~)ef

bp

lJ

v-e ....

ke

e"de

beeM-.

~

Lc:rv- {'>o

v--e

~

y-(..(X.ut

(.L )

letw.:yA

tlG

'

1 tsu

~01

~~-d

'S)

e

c

l t /)

1

<.)

~

i.l)

c

l

c~

l-vt

,,+

~

vee

v-

cl

(. h

.ul

r~'IL

0

~

\J

~ ~

J.e.-,.

A.,

~

f

-u.v

.

de.

Vl..ct..ct-~~\Jl\A.~

~

cCie

cJ-'?elA...

e<A.he/e.

~J".~t..;y\-

~

---::>vl

b,_kd-~~~

1 ~

(.,

~-e

l. •

(5)

-•

•

• Inhoudsopgave

Inleiding Probleemstelling Fixatiemogelijkheden

Eigenschappen en toepassingen van propyleencarbonaat Markt en capaciteit

Indeling van het verslag Uitgangspunten van het ontwerp

Specificaties van grond- en hulpstoffen Keuze van de processtructuur

Fysisch/Chemische informatie Reacties

Fasenevenwichten Proces beschrij ving

Procesvoorwaarden Procescondi ties Processchema

Keuze van unit operations Apparaatontwerp en berekeningen

Reactoren, kolommen en vaten Warmtewisselaars

Pompen

Apparatenlijsten voor reactoren, kolommen en vaten Apparatenlijsten voor warmtewisselaars

Apparatenlijsten voor pompen Massa- en warmtbalans

Opstellen van de massabalans Opstellen van de warmtebalans CO2-balans

Omzetting

Produktie

Procesregeling, flexibiliteit en inbedrijfstelling Procesregeling

Flexibiliteit Inbedrijfstelling

Fabrieksvoorontwerp 3031

1

1 1 1 2 2 3 4 5 5 5 6 7 7 7 7 8 10 10 11 12 14 15 16 17 17 17

23

7 .... _.J

23

11

(6)

-•

•

Fixatie van kooldioxide Economie van het proces

In vesteringen Produktiekosten Loonkosten Totale kosten Omzet

Return on investment (ROl) Internal rate of return (IRR) Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen Symbolenlijst Subscripts Dimensieloze kentallen Literatuuroverzicht Dankwoord Bijlagen

Bijlage 1: Eigenschappen en toepassingen van propyleencarbonaat Eigenschappen

Toepassingen Reacties Bijlage 2: Processchema

Bijlage 3: Apparaatberekeningen

Reactoren, kolommen en vaten Warmtewisselaars

Pompen

Bijlage 4: Specificatiefonnulieren Bijlage 5: Stroornlcomponentenstaat Bijlage 6: Apparaatschetsen

Schets van de buisreactoren Schetsen van de condensatietoren Bijlage 7: Gebruikte figuren en tabellen

Fabrieksvoorontwerp 3031

28

32 33 33 33 34 34

35

36 37 37 38 40 41 41 42 42 44

46

51

57

59

75

81 81 81 83 111

(7)

-•

•

• Inleiding

ProbleemsteUing

Kooldioxide is één van de gassen die verantwoordelijk gehouden wordt voor het broei-kaseffect. Van alle mogelijkheden om emissie van kooldioxide te voorkomen is chemische fixatie er één. Het is dan echter wel de bedoeling dat bij het fixatieproces meer

kooldioxi-de verbruikt wordt dan dat er geproduceerd wordt. Bij dit fabrieksvoorontwerp is het de

bedoeling kooldioxide te fixeren in een nuttig produkt en vervolgens het netto verbruik van kooldioxide te bepalen.

Fixatiemogelijkheden

Van alle geproduceerde kooldioxide kan een gedeelte gebruikt worden voor de produktie van bulkchemicaliën als ureum, azijnzuur en methanol, maar de vraag naar deze produkten is te beperkt om alle kooldioxide te fixeren. Daarom is het noodzakelijk om andere produkten te vinden waarbij kooldioxide als grondstof kan dienen. Eén van deze

produkten is propyleencarbonaat (Kessler, 1992), een

cycli-sche ester van propyleenglycol en diwaterstofcarbonaat

(H₂C0_3).De structuurformule van propyleencarbonaat

wordt weergegeven in figuur 1.

Eigenschappen en toepassingen van propyleencarbonaat

Propyleencarbonaat is een kleurloze tot amberkleurige vloeistof met een hoog kookpunt en een lage viscositeit. De

toxiciteit is laag. Het produkt kent een breed scala aan

toepassingen; o.a. als oplosmiddel voor zowel organische

als anorganische stoffen. Een andere toepassing is het

Figuur 1:

Struc-tuurformule van propyleencarbonaa t. gebruik als hulp- of grondstof voor de produktie van carbarnaten, alkoxylaten en

poly-meren. Propyleencarbonaat kan ook gebruikt worden als extractiemiddel voor vloeibare

petroleurnfracties en de verwïderina van kooldioxide uit aardaas. De diëlectrische

constan-te is vergelijkbaar met die van water, zodat propyleencarbonaat ook gebruikt kan worden

als elektrolytoplossing (Hüls, 1991 en

ARea.

1989). Een uitgebreid overzicht van

eigen-schappen en toepassingen met de reactievergelijkingen is te vinden in bijlage 1.

(8)

-•

•

Markt en capaciteit

Propyleencarbonaat behoort tot de specialty chemicals. In Europa wordt propyleen-carbonaat o.a. geproduceerd door: BASF, Hüls en Texaco in Duitsland en Chantry

Chemicals en BBK-Gurney in Engeland. De produktiecapaciteit van Hüls bedraagt enkele duizenden tonnen per jaar en is mede afuankelijk van de vraag naar de overige produkten die in hun multi-purpose plant geproduceerd worden. De overige bedrijven waren niet bereid om infonnatie te verstrekken.

In de Verenigde Staten wordt propyleencarbonaat o.a. geproduceerd door ARCO Chemical Company.

Het is mogelijk dat de bestaande markt voor propyleencarbonaat als oplosmiddel zich uit zal breiden, vanwege de minder milieu belastende eigenschappen van het produkt t.o.v. andere veel gebruikte oplosmiddelen (o.a. methyleenchloride en dimethylfonnarnide).

Indeling van het verslag

In het hoofdstuk Uitgangspunten van het ontwerp worden de capaciteit van de fa-briek en de belangrijkste grond- en hulpstoffen besproken. Daarna volgt een bespreking van het proces in de hoofdstukken Keuze van de procestructuur en Procesbeschrijving.

In het eerstgenoemde hoofdstuk worden de thennodynarnische eigenschappen van het systeem besproken en in het andere hoofdstuk de uitvoering van het proces. De keuze en berekening van de apparaten worden uitgelegd in het hoofdstuk Apparaatontwerp en berekeningen. De massa- en warmtebalans wordt besproken in het hoofdstuk Massa- en

warmte balans waarna de COz-balans wordt geëvalueerd in het hoofdstuk COz-balans. De regeling en flexibiliteit van het proces wordt besproken in het hoofdstuk Proces regeling,

flexibiliteit en inbedrijfstelling. In Economie van het proces worden de kosten en baten van het proces besproken, gevolgd door het hoofdstuk Conclusies en aanbevelingen.

(9)

-•

•

• Uitgangspunten van het ontwerp

De capaciteit van de fabriek bij een normaal aantal bedrijfsuren per jaar (8000) be-draagt 10.000 ton/jaar (1250 kglhr).

Doordat de eigenlijke opdracht de fixatie van kooldioxide is, ligt de procesroute voor de produktie van propyleencarbonaat vast. De grondstoffen zijn kooldioxide en 1,2-propy-leen oxide en de reactie moet gekatalyseerd worden.

De belangrijkste reactie in het proces is de vorming van propyleencarbonaat uit propy-leenoxide en kooldioxide:

H C-CH-CH

+

O=C=O

-~>

H C-CH-CH

2 \ / 3 2/ \ 3

Ö

0 , / 0

C

[1] 11

o

Wanneer er water aanwezig is, reageert dit met propyleenoxide tot propyleenglycol:

H

₂

C-CH-CH

₃

+

H

H -->~ H C-CH-CH

\ / \ / 2 1 1 3

Ö

g g

[2]

Water komt in het systeem als verontreiniging van propyleenoxide en kooldioxide. Een andere bijreactie is de isomerisatie van propyleenoxide naar aceton:

HC-CH-CH

₂

V

3 -~>

HC-C-CH

3 11 3

o

[3]

Mogelijke katalysatoren voor het proces zijn o.a. tertiaire arnmoniumzouten en

halogeniden als kaliumjodide (KI), (Peppel, 1958, Hechler, 1971 en Fumasoni, 1975). In beide gevallen gaat het om homogene katalyse (heterogene katalyse met KI is nog in het onderzoeksstadium, (Annesini, 1983 en Andreozzi, 1985)). Het meest gebruikte arnmoni-umzout is tetraethylammonium bromide (TEAB). Het voordeel van TEAB Lo.v. KI is dat de katalysator stabieler is en dat eventuele ontledingsprodukten zich niet kunnen ophopen

in de apparatuur. Bij dit ontwerp is gekozen voor TEAB als katalysator.

Fabrieksvoorontwerp 3031 .

?

f\

t

s e r \

~

ck

O\A. -\-

\-e

Gl~

l-<

(~

r)

0,;;VI

(10)

-•

•

Specificaties van grond- en hulpstoffen

().\<"-

Propyleenoxide: (Shell)

zuiverheid op massabasis: verontreinigingen:

99.9754 %

water: 0.02 %

vluchtige organische componenten: 0.0046

\

6·

opslagomstandigheden: max. temperatuur: 20°C

illuk 2bM

Alle appMatuur die met propyleenoxide in aanraking komt moet electrisch geaard zijn.

De vluchtige organische componenten zijn bij de berekening meegenomen als aceton.

(aanwezig als aceton en propionaldehyde)

Kooldioxide: (AGA)

zuiverheid:

verontreinigingen: water:

opslagomstandigheden:

lucht (zuurstof en stikstof) max. temperatuur: 99.98 % 0.01 % 0.01 % -20°C 20 bar druk: Tetraethylammonium bromide: (CFZ) zuiverheid: verontreinigingen: opslagomstandigheden: triethylarnine.HCI: >98 % <1% in afgesloten vaten.

In het proces wordt gebruik gemaakt van een oplossing van 5 gew% TEAB in propyleen-cMbonaat, waarbij triethylarnine.HCl verwaMloosd wordt.

Eindprodukt propyleencarbonaat:

Ó

\t

~ Het eindprodukt zal een hoge zuiverheid hebben (>99 %) waarbij de enige

verontreini-\gingen sporen propyleenglycol, propyleenoxide, aceton en water zijn. Bij de opslag van

Ipropyleencarbonaat zijn geen bijzondere voorzieningen nodig.

We

\k~

caJ.

de

COVvlrlJ,); 1--\<2-

Jröclu~

kQAr

J~

cM

t~o~

O?-.

~

-H:zo?

(11)

-•

•

• Keuze van de processtructuur

Fysisch/Chemische informatie

Bij dit ontwerp is uitgegaan van een aantal grond- en hulpstoffen met hun

verontreini-gingen en een aantal reactieprodukten, zoals in het hoofdstuk Uitgangspunten van het

ontwerp beschreven is. Van deze stoffen worden

in

onderstaande tabel enkele belangrijke

fysische eigenschappen weergegeven.

Tabel I: Enkele belangrijke fysische eigenschappen van gebruikte

grond-en hulpstoffgrond-en grond-en hun verontreiniginggrond-en.

Molair gewicht Vormingsenthalpie Kookpunt bij I bar

M [g/mol] _~H _{[lel/mol] TB} [0C] Propy leencarbonaat 102.09 -613.2 243.4 Kooldioxide 44.01 -394.1 -78.5 Propy leenoxide 58.08 -122.6 33.9 Propyleenglycol 76.10 -485.7 187.6 Aceton 58.08 -248.1 56.3 Water 18.02 -285.8 100.0 TEAB 210.2

-

~)-Lucht 28.80 0 -194.5 Reacties Reactie [1]

Reactie [1] is de belangrijkste reactie van het proces.

In

deze reactie wordt kooldioxide

samen met propyleenoxide omgezet in propyleencarbonaat. Deze reactie wordt gekataly-seerd door tetraethylarnmonium bromide. De reactie-enthalpie van deze reactie bedraagt -96.5 kJ/mol propyleenoxide.

Reactie [2]

Eén van de belangrijkste bijprodukten wördt gevormd in reactie [2]. Water, als

veront-reiniging in zowel propyleen oxide als kooldioxide aanwezig, reageert met propyleenoxide

(12)

-•

•

tot propyleenglycol. De reactie-enthalpie van deze reactie bedraagt -77.3 kJ/mol

propyleen-oxide.

Reactie [3]

De derde reactie die een rol speelt is de isomerisatie reactie van propyleenoxide tot

aceton. De reactie-enthalpie van deze reactie bedraagt -125.5 kJ/mol propyleenoxide.

Alle drie de reacties zijn sterk exotherm en vrijwel volledig aflopend. Omdat kinetische data van de reacties ontbreken en omdat reactie [1] gekatalyseerd wordt, is aangenomen dat reactie [1] vrijwel volledig verloopt en dat de overige twee reacties slechts in beperkte mate verlopen. Aangenomen is dat per mol omgezet propyleenoxide er 99.97% wordt

omgezet naar propy1eencarbonaat, 0.02% naar propy1eenglycol en 0.01 % naar aceton.

Reactie [1] is een reactie die bij ISO-l70oe geïnitieerd wordt en bij 180-190oe snel verloopt. De vorming van hoogmoleculaire verontreinigingen en katalysator deactivatie

worden bij dit ontwerp niet meegenomen, omdat gegevens hiero~olledig ontbreken. Bij

normale bedrijfsvoering zullen beide effecten ook beperkt zijn. ~

Fasenevenwichten

Bij voldoende hoge druk zijn alle genoemde componenten in propyleencarbonaat oplos

-baar, bij lage druk zullen met name kooldioxide en lucht beperkt oplosbaar zijn in propy-leencarbonaat.

(13)

-•

•

• Procesbeschrijving

De produktie van propyleencarbonaat bestaat uit twee onderdelen. Het eerste deel is de reactiesectie, waarin kooldioxide met propyleenoxide wordt omgezet in propyleencarbo-naat. Het tweede deel is de zuiveringssectie, waarin de katalysatoroplossing teruggewon-nen wordt en het propyleencarbonaat gezuiverd wordt.

Het proces is gesimuleerd met behulp van het flowsheetprograrnrna CHEMCAD.

Procesvoorwaarden

Aan de produktie van propyleencarbonaat zijn enkele voorwaarden verbonden om het proces goed te laten verlopen (Peppel (1958), Springmann (1971) en DE 2855232). Om polymerisatie- en nevenreacties van propyleencarbonaat en propyleenoxide te voorkomen mag de temperatuur in de installatie maximaal 200°C bedragen. Een probleem dat zich

hierbij voordoet is dat alle bovengenoemde reactiés exotherm zijn en dat de warmte die bij de reactie geproduceerd wordt afgevoerd moet vlorden om de temperatuutr'/nnen de perken te houden. Daarnaast moet voorkomen worden dat propyleenoxide i aanraking komt met. de ~atalysator zonder de aanwe~i~h~id van kooldioxide, omdat it tevens bijpro-duktvonrung In de hand werkt. Om de actlv1telt van de katalysator te bep rken moet

..x

gezorgd worden voor een equimolaire oe veelheid kooldioxide ten opzic te van de

kataly-sator. Ook dit beperkt de bijprodukt vorming. Om de reactie vlot te laten verlopen moeten alle reactanten in één fase gehouden worden. _ :::> C

0

7.

~

J

c.e-

~

P

?

~

~O---\-

o..b

e'1--

cvet-~QJ

C

O.-{

~ ~

H

U\?v('elk

~c\

e

e '"

\,.,

,~

V\N (

h.

-

\

7 f

(

o,,",ze~

\l

~1)

'",-

v.Je\\t"f'

~\

Procescondities

De reactie tussen kooldioxide en propyleenoxide wordt uitgevoerd bij verhoogde druk

(ca. 35 bar)

em

alle reactanten in één fase, de vloeistoffase, te houden. Om de

warmte-produkti te beperken wordt er gewerkt met een grote hoeveelheid propyleencarbonaat in de reactor en dus lage concentraties reactanten. De katalysatorconcentratie in de reactor bedraagt ongeveer 1 gewichtsprocent. De katalysatoroplossing wordt als een oplossing van 5 gew% TEAB in propyleencarbonaat aan het systeem toegevoerd (DE 2855232).

De zuivering van de produktstroom moet bij verlaagde druk plaatsvinden in verband met de kooktemperatuur van het produkt (DE 2855258).

Processchema

Het processchema is te vinden in bijlage 2.

De beide grondstoffen, propyleenoxide (1) en kooldioxide (2), worden op de operatie-druk van de eerste reactor (R8) gebracht. Deze bedraagt 36 bar. De dan nog vloeibare

kooldioxide wordt vervolgens indirect met een andere processtroom verdampt (H3 en H5).

(14)

-•

•

• T)--~

.

\

•

(15)

•

Fixatie van kooldioxide De propyleenoxide wordt samen met de katalysatorrecycle (29) en een deel van het reac-toreffluent uit de eerste reactor (16) aan de eerste reactor gevoed. De ingaande tempera-tuur van deze stroom bedraagt 177°e. Onderin deze reactor wordt eveneens een deel van de kooldioxide stroom ingebracht. In de eerste reactor vindt gedeeltelijke conversie (25%) van propyleenoxide per doorgang plaats waarbij de temperatuur stijgt tot 190°C.

Het reactoreffluent wordt eerst indirect gebruikt om de vloeibare kooldioxide te verdampen. Vervolgens wordt deze stroom in tweeën gesplitst. Eén deel wordt door middel van koelwater op een temperatuur van 162°C gebracht, waarna het dient als koel-medium voor de tweede reactor (RIO), waarbij het weer opgewarmd tot 169°C. Het twee-de twee-deel wordt met behulp van koelwater gekoeld tot 182°C. Na opmengen van twee-deze twee stromen wordt er weer een kleine stroom kooldioxide aan toegevoegd, waarna de stroom gesplitst wordt in een stroom die teruggevoerd wordt naar de eerste reactor (17) en een stroom die naar de tweede reactor wordt gevoerd (18). Aan deze laatstgenoemde stroom wordt nog een kleine hoeveelheid kooldioxide toegevoegd, waarna volledige omzetting van propyleenoxide in de tweede reactor plaatsvindt. De temperatuur stijgt in deze tweede reactor van 180°C naar 187°C. Na de tweede reactor wordt de druk gereduceerd tot 0.16 bar met behulp van een smoorklep.

Samen met een recycle stroom uit de stripkolom (34) wordt de dampfractie van deze stroom in een filmverdamper op 0.8 gebracht. Het verwarmende medium van de filmver-damper is rniddendruk stoom. De processtroom wordt onderin de stripkolom gevoerd. De bodemstroom van de stripkolom, waarin de katalysator is geconcentreerd, wordt gedeelte-lijk teruggevoerd naar de filmverdamper, terwijl een ander deel naar de eerste reactor teruggeleid wordt. Om ophoping van hoogmoleculaire bUprodukten en gedeactiveerde katalysator te voorkomen, kan een deel van de katalysatorrecyclestroom worden vervangen door verse katalysatoroplossing. De gedeactiveerde katalysator kan elders opgewerkt worden.

Het topprodukt van de stripkolom bestaat uit vluchtige verontreinigingen en

niet-omge-zet kooldioxide. Het produkt propyleencarbonaat wordt als zij stroom aan de kolom ont-trokken. De onderdruk in de zuiveringssectie wordt in stand gehouden met een vacuüm-pomp.

Keuze van unit operations

Bij de keuze van de unit operations en apparatuur is uitgegaan van de gegevens zoals deze voortvloeien uit de patenten DE 2855232 en DE 2855258.

De verdamping van kooldioxide vindt plaats door middel van indirecte verwarming met een processtroom. Het gebruik van een warme processtroom, in dit geval het reactorefflu-ent van de eerste reactor, bespaart het gebruik van stoom en koelwater. Directe verwar-ming is in dit geval niet geschikt doordat het temperatuurverschil van de warme en koude stroom zo groot is dat de kritische warmteflux overschreden wordt (Coulson, 1991, p.

599). Als hulpmedium wordt propyleencarbonaat gebruikt.

De eerste reactor is een tankreactor. Deze reactor is uitgerust met een grote

(16)

-•

•

Fixatie van kooldioxide cyc1e om de temperatuurstijging in de reactor te beperken. De menging in de reactor wordt verzorgd door de recyc1estroom en de gasvormige kooldioxide die onderin de reactor wordt ingebracht.

Voor het koelen van het reactoreffluent van de eerste reactor wordt gebruik gemaakt van koelwater, omdat de apparatuur te klein is voor (efficiënte) luchtkoeling.

De tweede reactor, een buizenreactor, is eigenlijk een soort warmtewisselaar. Voor de koeling van deze reactor wordt gebruik gemaakt van een processtroom die speciaal voor dit doel wordt afgekoeld tot de gewenste temperatuur. Het logaritmisch

temperatuurver-schil over deze reactor moet zo klein mogelijk zijn om het uitwisselend oppervlak niet te klein te laten worden.

Voor de verdamping van de produktstroom wordt gebruik gemaakt van een vallende filmverdamper om de verblijftijd van het produkt in de verdamper zoveel mogelijk te beperken. Als verwarmend medium wordt gebruik gemaakt van middendruk stoom. Qua temperatuur zou ook het reactoreffluent uit de eerste reactor gebruikt kunnen worden, maar de flexibiliteit en stabiliteit van de filmverdamper is dan nihil zodat dit niet toegepast is.

Zuivering van propyleencarbonaat vindt plaats in een stripkolom. De kolom heeft geen reboiler. De dampstroom in de kolom is afkomstig van de filmverdamper. De refluxcon-densor is een luchtkoeler.

(17)

-•

•

• Apparaatontwerp en berekeningen

Reactoren, kolommen en vaten <.

Ua)

z

y

J

e

~

Gu t::. IJ'

P

IJ

pE-l

C

l

{

i

(

.

:

.

a)

1 <

2C:>

oO(

R8 Tankreactor .

, b)

co]:

~cJ- ':: 1:1

I)

PiL..

PO

",(-<.f-c) ee"'fa.ne l"''U..H _

Bij het ontwerp van R8 is uitgegaan van de reactor, zoals deze beschreven wordt in a

II-e" -

/'1 c'

cJ-DE 2855232. Als opschalingscriterium is gekozen voor een gelijke verblijftijd op massa-basis en een constante LID. Vanwege het ontbreken van concrete gegevens over het reactiemechanisme en de kinetiek, was het niet mogelijk om een beter opschalings-criterium te hanteren. De verblijftijd is ca. 51 sec. De menging in de reactor wordt tot stand gebracht door de natuurlijke convectie van de voedingsstromen 10 en 22. De

gasvor-mige kooldioxidevoeding (10) wordt onderin de reactor ingebracht, terwijl de vloeistof

(22) op een hoger punt wordt ingebracht.

Door producenten van propyleencarbonaat wordt koolstofstaal of roestvrijstaal aangera-den voor tanken, pompen en ander materiaal. Aangezien koolstofstaal bros wordt bij tem-peraturen lager dan lOo

e

en de toegevoerde kooldioxide

2°e

is, valt de materiaalkeuze bij de reactor op roestvrij staal. De wanddikte van de reactor wordt berekend volgens de methode die is weergegeven in bijlage 3.

R 10, B uizenreactor

Vanwege het ontbreken van gegevens over de reactiekinetiek is er voor gekozen om bij het ontwerpen van de buizenreactor uit te gaan van meerdere buizen met dezelfde diameter als de buizenreactor in DE 2855232. De lengte van de buizen wordt gekozen op 3m. Verder is de verblijf tijd op massabasis zoveel mogelijk gelijk gehouden (ca. 570 sec).

De warmte die bij de reactie vrijkomt wordt afgevoerd via een koudere processtroom

(26) die rond de buizen stroomt. Een nadeel van deze werkwijze is echter dat de over te dragen warmte Q, het logaritmisch gemiddelde temperatuurverschil tlT1m , de warmteover-drachtscoëfficiënt U en het oppervlak A allemaal al vast liggen. Dit probleem wordt opgelost door de reactorbuizen niet over de gehele lengte te koelen. De mantel wordt opgedeeld in een aantal compartimenten, waarvan een aantal wel en een aantal niet door-stroomd wordt. Stroom 26 wordt opgedeeld, zodat door elk koelcompartiment de stroom even groot is.

Er wordt aangenomen dat de orde van de reactie eerste orde is in propyleenoxide, waardoor er aan het begin van de reactor meer warmte vrij komt dan aan het eind. Hier-door zal de verdeling van de koelcompartimenten over de reactor niet evenredig met de afstand zijn. Bovendien is het mogelijk om, wanneer er extra gekoeld moet worden, meer compartimenten dan normaal te koelen. (Stroom 26 moet dan wel groter worden) Een schets van de reactor is weergegeven in bijlage 6. De exacte berekeningsmethode is weergegeven in bijlage 3.

De keuze om zes compartimenten te doorstromen met koelvloeistof is vrij arbitrair,

(18)

-•

•

Fixatie van kooldioxide maar een voordeel van zes compartimenten is dat de breedte van een compartiment ca. 25 cm is. Dit is ook de waarde die de baffleafstand bij gewone warmtewisselaar zou hebben. (0.5*manteldiameter).

T12, Condensatietoren

Bij het ontwerpen van de kolom is uitgegaan van de resultaten met betrekking tot flow grootte per theoretische schotel en samenstelling van de stromen zoals verkregen uit CHEMCAD (het gebruikte flowsheetprogramma).

De condensatietoren wordt uitgerust met reverse-flow zeefplaten. De reden hiervoor is dat zeefplaten in het algemeen een lagere drukval per schotel geven dan klokjes- of valve-schotels, wat erg belangrijk is in een vacuümkolom. De reverse-flow constructie is nodig

omdat de vloeistofstroom erg laag is. De methode is weergegeven in bijlage 3 (Coulson,

1991, pp. 440-478).

Er is uitgegaan van een totaal downcorneroppervlak per schotel van 12% en een

zeef-gatdiameter van 5

mmo

Verschillende mogelijkheden met betrekking tot schotelafstand,

overlooprandhoogte en vrije ruimte onder de downcorner zijn uitgeprobeerd om een

op-timum te vinden. De kolom is ontworpen op 80% van flooding en 70% van weeping om een flexibele bedrijfsvoering mogelijk te maken. Bovendien is rekening gehouden met een

zo laag mogelijke drukval en de verblijf tijd van de vloeistof in de downcorner (minimaal 3

seconden).

Naast de hoogte van de kolom die bepaald wordt door de schotels met hun afstand,

komt er nog

6

meter extra hoogte bij; 1.5 m voor de ruimte boven de bovenste schotel,

nodig voor de gasuitlaat; 2.5 m voor de ruimte onder de onderste schotel, nodig voor vloeistof hold-up en gasinlaat en 2 m als bottom-skirt.

VIS, topaccumulator

Bij het ontwerp is uitgegaan van de methode, zoals deze beschreven wordt door

Siga-les, 1975. Deze methode is weergegeven in bijlage 3. Het ontwerp gaat uit van een totale

verblijftijd in een horizontale accumulator van 10 minuten.

Warmtewisselaars

H3 en H5, Kooldioxideverdamper

De kooldioxideverdamper bestaat uit twee warmtewisselaars H3 en H5 waartussen een

hulpstroom propyleencarbonaat circuleert. H3 is in feite de verdamper, waarin kooldioxide

verdampt wordt met behulp van de hulpstroom propyleencarbonaat die daardoor van 2rC

naar 15°C afkoelt. In H5 wordt het propyleencarbonaat weer opgewarmd met behulp van

(19)

-•

•

Fixatie van kooldioxide het wanne effluent van R8. In beide gevallen stroomt de hulpstroom door de mantel. Voor het dimensioneren van H3 is het nodig om de pijpen waar de kooldioxide in verdampt op te splitsen; allereerst het gedeelte waarin de kooldioxide opgewarmd wordt van -18.9°C naar het kookpunt, 1.3°C. Het tweede deel van de verdamper bestaat uit het eigenlijke verdampende deel. De verdamper wordt uitgevoerd als een verticale fixed head warmte-wisselaar. De exacte berekeningsmethode wordt beschreven in bijlage 3.

De bijbehorende warmtewisselaar H5 wordt uitgerust met een internal floating head omdat het temperatuurverschil tussen de warme en koude stroom erg groot is. De exacte berekeningsmethode is weergegeven in bijlage 3.

H6 en H9, waterkoelers

Voor het doorrekenen van de waterkoelers H6 en H9, is gebruik gemaakt van de ont-werpmethode zoals deze beschreven wordt in bijlage 3. Het koelwater stroomt door de pijpen. Vanwege het grote temperatuurverschil is het niet mogelijk om vaste pijpplaten te gebruiken. H6 heeft een internal floating head en H9 is uitgerust met U-pijpen. Dit laatste omdat anders de stroomsnelheid van het koelwater te laag wordt.

H13, Topcondensor

De damp die over de top van de condensatiekolom komt, moet voor een groot deel weer gecondenseerd worden. Hierbij wordt luchtkoeling toegepast, aangezien stroom 32 van 148 naar 107°C afgekoeld moet worden. Het ontwerp van de luchtkoeler is gebaseerd op de methode die beschreven wordt door Lemer, 1972, en is weergegeven in de bijlage

3. De condensor heeft vier pijpenrijen, resulterend in een bundel van 1x1.2 m.

H 17, vallende filmverdamper

De overall warmteoverdrachtscoëfficiënt in de vallende filmverdarnper is gebaseerd op

figuur 10, bijlage 7, en heeft een waarde van 900 W/m2_{;oC. Als verwarmend medium}

wordt stoom van 10 bar en 220°C gebruikt. De verdamping vindt plaats in de pijpen en de buitendiameter van de pijpen is 38 mm. Bovendien is de pitch van de pijpen afwijkend

van alle andere warmtewisselaars in het proces: de pitch is 2 in plaats van 1.25. Het

verdere ontwerp van de verdamper is gedaan volgens de algemene warmtewisselaar-ontwerpmethode, zoals is weergegeven in de bijlage 3.

Pompen

Bij het ontwerpen van de pompen is uitgegaan van de methode, zoals deze beschreven

(20)

-•

•

Fixatie van kooldioxide is in de bijlage 3 (Davidson, 1986).

Een overzicht van de ontwerpgegevens is te vinden in de apparatenlijsten op de volgen-de bladzijvolgen-den. De specificatieformulieren van volgen-de apparaten zijn te vinvolgen-den in bijlage 4.

(21)

-• ApparatenIiist voor reactoren. kolommen en vaten

Apparaat No. R8 RIO Tl2 VIS

•

Benaming, T ankreactor Buizenreactor, Condensatie- Topaccumulator type uitgevoerd als toren voor

condensatie-horizontale toren, horizontaal vvarrntevvisselaar

•

Absolute druk [bar] 36 35.3 0.06/0.16 0.05 Temperatuur [0C] 190 180/187 148/175 107 Inhoud [m3] 0.80 0.3 Diameter [rn] 0.70 0.55 0.85 0.5

•

LengtelHoogte [rn] 2.10 3 13 1.6 Vulling: Schotels zeefplaten (+ aantal) 25

•

Materiaal roestvrij staal koolstof staal koolstof staal koolstof staal

FABRIEKSVOORONTWERP NO. 3031

•

(22)

• Apparatenlijst voor warmtewisselaars

Apparaat No. H3 H5 H6 H9 RlO

Benamingrrype Kooldioxide- Pijpenwann- Koeler tank- Koeler tank- Buisreactor ,

•

verdamper tewisselaar effluent, effluent, fixed head m.b.v. hulp- tankeffluentl floating head haarspeld warmtewis-stroom PC hulpstroom buizen selaar

PC

Medium pijpzijde kooldioxide processtroom koelwater koelwater processtroom mantelzijde prop.carbo- prop.carbo- processtroom processtroom processtroom

•

naat naat

Capaciteit [kW] 44 44 119 83 20 Warmte wisselend opper- 1.7 1.3 1.7 1.6 9.9 vlak [m2]

•

Aantal 1 1 1 1 1

Absolute druk [bar]

pijpzijde 36.3/36 36/35.6 3/3 3/2.9 35.3/35.3 mantelzijde 36/35.9 35.9/35.9 35.6/35.3 35.6/35.4 35.4/35.4

•

Temperatuur INIUIT [0C] pijpzijde -19/2 190/188 20/34 20/35 180/187 mantelzijde 27/15 15/27 188/182 188/162 162/169

•

Materiaal roestvrij staal koolstof staal koolstof staal koolstof staal koolstof staal

•

Apparaat No. H16 H13 BenamingfType Vallende Topcondensor ,

film verdamper lucht

Medium pijpzijde processtroom processtroom mantelzijde M.D. stoom lucht

•

Capaciteit [kW] 210 185

Warmtewisselend opper- 7.4 5.9

•

vlak [m2]

Aantal 1 1

Absolute druk [bar]

pijpzijde 0.16/0.16 0.06/0.05

•

mantelzijde 10/10 1 Temperatuur INIUIT [0C]

pijpzijde 165/177 148/107 mantelzijde 2201194 7-- )

•

Materiaal koolstof staal koolstof staal

FABRIEKSVOORONTWERP NO. 3031

(23)

• Apparatenliist voor oompen

Apparaat No. PI P2 P4 P7

BenamingfType Propy Ieenoxide- Kooldioxide- Pomp voor

Reactorrecycle-•

voedingspomp voedingspomp rondpompen PC pomp

(zuigerpomp) (zuigerpomp) hulpstroom ( centrifugaal) ( centrifugaal)

Te verpompen medium propy leenoxide kooldioxide propy Ieencarbo- PC

proces-•

naat stroom Capaciteit [kg/sJ 0.20 0.15 ? -_.) ₁₅_.₃₈ Dichtheid [kg/m3] 833.6 104l.5 1075 1039.1 Zuigdruk [bara] 2 20 35.9 35.3 Persdruk [bara] 36 36.3 36 36

•

Temperatuur INIUIT [0C] 20/20 -20/-19 27/27 180/180 Vermogen [kW] theoretisch 0.82 0.24 0.02 1.04

•

praktisch 1.54 0.81 0.04 1.49

Materiaal koolstof staal roestvrij staal koolstof staal koolstof staal

•

Apparaat No. PIl Pl4

BenamingfType Kata! ysatorrecy- Refluxpomp clepornp

condensatie-•

(zuigerpomp) toren

Te verpompen medium 5 gew% opl. propy leencarbo-TEAB in prop. naat

carbonaat

•

Capaciteit [kg/sJ 0.08 0.37 Dichtheid [kg/mJ] 1086 1129 Zuigdruk [bara] 0.16 0.05 Persdruk [bara] 36 0.06

•

Temperatuur INIUIT [0C] 175/175 107/107 Vermogen [kW] theoretisch 0.27 ... ... _10-4 J.J praktisch 0.85 9.3 10-4

•

Materiaal koolstof staal koolstof staal

FABRIEKSVOORONTWERP NO. 3031

•

(24)

•

• Massa- en warmtebalans

Opstellen van de massabalans

Voor de massabalans geldt wanneer er geen ophoping in het systeem plaatsvindt

UIT=IN. De massabalans wordt weergegeven in de stroomlcomponentenstaten in bijlage 5

en het blokjesschema aan het einde van dit hoofdstuk. Samengevat ziet de massabalans er als volgt uit:

Massabalans voor het produktieproces van propyleencarbonaat

IN (kglhr)

UIT

(kglhr)

Kooldioxide 557.03 Propy leencarbonaat 124l.67

Propy leenoxide 714.10 Light ends 30.00

Totaal

1271.13

Totaal

1271.67

Het niet volledig kloppen van de massabalans is het gevolg van de tolerantie van de re

cycle-berekeningen in CHEMCAD en afronding.

Opstellen van de warmtebalans

Voor het opstellen van de warmtebalans is het noodzakelijk een enthalpienulpunt vast te stellen.

Enthalpienulpunt: Het enthalpienulpunt is de enthalpie van de elementen en de

compo-nenten in thermodynamisch stabiele vorm bij 25°C en 1 bar. Voor de van toepassing zijnde componenten is de thermodynamisch stabiele vorm: Gas Vloeistof Kooldioxide Lucht Propy leenoxide Propy leenglycol Propy leencarbonaat Aceton Water

Vast Tetraethylammonium bromide

De enthalpie van een stof bij een willekeurige temperatuur T wordt in dit geval gege-ven door:

(25)

-•

•

T

HT

=J

CpdT

+~H

25

enthalpie bij temperatuur T, [llmol];

warmtecapaciteit bij constante druk, [Jlmol/°C];

latente warmte (fasen-overgang), [llmol].

(1)

De enthalpie van een stroom bestaande uit meerdere componenten wordt gegeven door:

met: H\O[ <Pmol xmol.i HT .i n n

Htot

=

4>mol

*

.l; (xmol,j

*

HT,j)

\ = 1

totale enthalpiestroom, [llsJ;

molair debiet, [mol/sJ;

molfractie van component i, [mol/mol]; enthalpie van component i, [lIrnol];

aantal componenten in de stroom, [-].

(2)

De drukinvloeden die het gevolg zijn van drukval in apparatuur worden verwaarloosd. Op punten waar er sprake

is

van een opgelegde drukverandering zal de drukinvloed wel worden meegenomen. Dit is het geval bij gebruik van pompen voor het op de systeemdruk brengen van de componenten en in de katalysatorrecycle en de smoorklep tussen de reac-tie secreac-tie en de zuiveringssecreac-tie.

Door de gekozen definitie van het enthalpienulpunt moeten ook enthalpiestromen als gevolg van reactie apart worden meegenomen in de balans. Ook enthalpie veranderingen als gevolg van drukveranderingen (pompen, smoorklep) worden als aparte termen meege-nomen.

Overige invloeden zoals oplos- en mengenthalpiën zijn niet in deze warrntebalans betrokken.

De warmtebalans wordt weergegeven in de stroomlcomponentenstaten in bijlage 5 en het blokjesschema aan het einde van dit hoofdstuk. Samengevat ziet de warrntebalans er als volgt uit:

(26)

-•

•

Warmtebalans voor het produktieproces van propyleencarbonaat

IN (MJIhr) UIT (MJIhr)

Kooldioxide -199.0 Propy leencarbonaat 246.7

Propy leenoxide -7.4 Light ends 93.7

Pomp 1 2.9 Warmtewisselaar 6 430.0 Pomp 2 0.8 Warmtewisselaar 9 299.0 Pomp 11 1.0 Smoorklep 5.0 Reactor 8 1097.6 Condensor 13 664.3 Reactor 10 87.7 Verdarnper 16 755.0 Totaal 1738.6 Totaal 1738.7

Het niet volledig kloppen van de warmtebalans is het gevolg van de tolerantie van de

recycle-berekeningen in CHEMCAD en afronding.

(27)

-•

•

• I

IN

I

M Q

I

~

I

-

2.9

I

714.10 -7.4

I

714.10 4 .5

-

1.0

I

-

1097.6

I

56107.10

Massa-en

Warmtebafans

, -...........• P1 Propyleenoxide

....

...

G)

...

.

....

...

@r -... ~ ... ...• P11

~~

~.

r -............ _._·_·1_"

RB

...

@

~

.

25

1 ~

10863.1 ~

I

56401.35

...

.

..

.

L

....

• .

.

~

I

10923.8

UIT

M Q

M

I

Q

I

I _, I

I

1 I

I

294.25

I

60.7

!

I

455.00

I

-33.1

I

56856.35 i f---+ ... 30

@

...

.

...

.

... .

59.7

~

1 1--.:...:1988~.3

--+---+---1

~

~551~

.

03 ~

~-~199~.0

~

~~

=

1 ;0~~e

_IlO

I

I I

f---_-+-_---+-_-_~_7:~

~

... ,

1 f---+----+--=-:~~

... 16

r

n·

.. ··

..

···

...

· .. ···

I

557.03

!

I

-40.5

I

102.03

I

-7.4 I

I

fg\ .......... .

r---+---+--9000-_98-:~~

lm···

.

I·

·~

"

··

· I

·

· r··

· ···

··

· ···

· ····

· ···

··

!

f-

_9000...::...::..59:_~-,-

!

_---+

_ _ _

:

___

~-~-~

I

H5

~1

f -I

_~--+_-~

f - - - -_ _ II

U

~

I

-~

~-~-

~

i

-~

- -

'

f -i

-~--

+-

-

~

!

:!"

\

mml®i

11

: - -1 - - - - ! ~-~-~I -~I ~---+---+---1

I

(28)

==---'--~---~

i

==

L

:

=

1

₌

₁

I

J

'

1 '

I

L

I

~

'

--T

I

~

I

_te<

J

7000.00

I

283.5

I

H6 ' 1

L--+-

:

--+

1 -

1 L----i:----

I

--'koelwater --

L--::-=-f--

I. - - - t - - - l

L7000_·00-+_-1_46_.S-r

i

_ _

,

j

,

~

T.:L

~488S69~736~::~

i

__

---r-

I

_ _

_

L-~--~

r

~~

I

L---~

I

--r-

I

~

L----i

l

--~

I

~~

1

I

LI

---l----l

~r_

~fs:~:cx~OOJl

••••••••••••

•••••

• •••••••••

:L~

l

19 ...

IL:

-34-_2..-~-

I

~

I

---11--1

: :

.

..

.

...

.

...

..m .

.

"'I

I

@-I

'

~J

...

.

...

m""""

'

~~~:~:~.~-f-

'

---1

Ir--1

L

- - -

-l--

- - t - - - l

I

~ ~rk·

· =~;···L~300~A+

1

-SOOO--.OO-t--1 -94

-A

-~

'I

I

•

H9 1 I 1 koelwater LI

----::-::-

f-

-~--I

L_-+

_ _

---r-

___

mmmmmL~

~I

26~mL::~~

--+j

---r-

I

---

!

y~

I

L-~--____j

i

:---,

...

.

...

.

R10

f---,

!

I

87.7

I

mm

~mm

l

'::

I

L--+--t-

r

~

----1---,

...

.

...

.

..

.

....

.

. . . ! - - ,

r

_----;

1 -

I

L

--f---

t-~

!

_3_2366_::O;

mm

::~

~~

I

:§f,

~

I

ï

,....!-, 1

I

L - - f - - - r -

l

- i

,

stoom

I

_

I

33231.9

lL

--~~-~,

H16, stoom

I

-

1

'2000 . 00

I

32476.9 I

1 ~

-

I

1 '

I

L

,

---+-

1 ---r

l

---"

1 I

li

L

-

+-

i

--+

\

- I

!

I

1

Li

--

~---j-

I

-

I

L---!-

I

- - r

!1

----:;A1889~

.112l2

J. ...

.

....

...

.

-r

.

+

@ L

,,

-+-

!

--+

I

--

1

1131.1

J

1 f I

L---+

1 ---J

:

-1

1 I

L

1

_-L

I

---r-

\

_ I

\ \ : 1 1 I .

•

5.0

-•

•

I

(29)

• I

1

•

• I

i

:

I

1

I

•

'I'

,I

_

I

I1

I

1

I

1 I 1 I

I

1 1

i

0.0

I

_~

8 -'u~

i

:

I

_ .3 1 ,

~

I

---i

l

1 •

r:

ÜQ@end~

1

30.00 93.7

__ -

J

1319.44 153.7 1

•

1 2527,.,3

1 33964.4

1 ~

....

---TotaaJ--~..

1 25271.01 1 33964.5 I

•

• Massa in kgjhr

Wannte in MJ/hr

FABRIEKSVOORONTWERP NO. 3031

(30)

• ~l

_.

_'

t

LA

~J

~-)

COc

l

f.~eth)

~

C ()

1.

l

C~L-.)

• C

₃

f-f

6

0

~

LA

~

\ C(j~

•

)

y

t~e~w-ts(l, c~etMl")(\--

1 - - - - )

c

~

0,[

(\

~e~)

---::;;

C

Ó2

(c

le

hJ

•

• Poe

•

• '

.

•

(31)

•

Als de produktie van propyleencarbonaat een bijdrage moet leveren aan de verminde-ring van dé uitstoot van kooldioxide dan is het een voorwaarde dat er in het proces meer kooldioxide wordt omgezet dan er geproduceerd wordt. Om dit te controleren wordt er een CO2-balans over het fabricageproces en de bijkomende processen opgesteld. Deze balans

luidt:

Vermindering

=

Omzetting =

Produktie =

Vermindering = Omzetting - Produktie

De vermindering van de uitstoot van kooldioxide door de produktie van propyleencarbonaat;

De omzetting van kooldioxide in propyleencarbonaat;

De produktie van kooldioxide bij de produktie van propyleencarbo-naat.

Al deze stromen worden uitgedrukt in kg CO/kg propyleencarbonaat geproduceerd

Omzetting

Bij de produktie van propyleencarbonaat wordt kooldioxide omgezet. Stoichiometrisch vindt er een omzetting plaats van 1 mol kooldioxide per mol propyleencarbonaat, wat overeenkomt met 0.431 kg CO/kg propyleencarbonaat.

Produktie

Bij de produktie van propyleencarbonaat wordt alleen indirekt kooldioxide geprodu-ceerd. Bij de opwekking van elektriciteit (voor de aandrijving van pompen en de lucht-koeler) en de produktie van stoom wordt kooldioxide geproduceerd. Daarnaast wordt kooldioxide geproduceerd bij de afscheiding van kooldioxide uit rookgas, de produktie van propyleenoxide, de katalysatoraanmaak en -opwerking en het gebruik van andere utilities.

Bij de produktie van elektriciteit hangt de CO2 produktie af van de gebruikte brandstof

en van het type centrale. Uitgaande van een conventionele aardgascentrale bedraagt de CO₂produktie 0.54 kg CO/kWh

=

1.5'10"-1 kg CO/kj, (Kessler. 1992). Met een con-sumptie van 15.67 kJ/kg propyleencarbonaat bedraagt de CO2-produktie 0.002 kg CO2/kg

propyleencarbonaat.

Bij de opwekking van stoom wordt eveneens kooldioxide geproduceerd. Voor de

berekening van dit getal zijn er twee mogelijkheden. De eerste mogelijkheid is uitgaan van water voor de sroomproduktie, terwijl de tweede mogelijkheid het herverwarmen van de afgekoelde stoom uit de filmverdamper is. Wanneer we uitgaan van een thermisch rende-ment van 75% en verwarming door middel van aardgas dan bedraagt de

(32)

-ij

C"3 H

"1

+

:?,

0

2

-->7

l{_

3 1-1

6

0 4-

z

I--\:z.

0

11

c;. <r-{

:t

+

\

~

0

?

-~

1.i;c

() ")

+

~Lj

H

2-0

i-~

ltvtolelA.

C~H1

-~

( \,.v,. 0

t

~

1A

C

~

H

1-

---:>

s~'ev\-:::I),-=-

COz-f

ü

70

•

(33)

•

Fixatie van kooldioxide produktie in het eerste geval 0.21 en in het tweede geval 0.0047 kg CO/kg stoom. Deze getallen worden berekend aan de hand van de benodigde warmte voor de stoomproduktie (respectievelijk 2.81 en 0.063 MJ/kg stoom), de stookwaarde van aardgas (31.65 MJ/Nm3

) en de COz-produktie per Nm3 _{(1.775 kg CO}

2/Nm

3 _aardgas),_{(Stoom, 1952)}_.

Bij een stoomverbruik van 9.66 kg stoornJkg propyleen carbonaat geeft dit in het eerste geval 2.03 en in het tweede geval 0.045 kg CO₂/kg propyleencarbonaat. Omdat herverwar-men het meest reëel is, wordt dit getal meegenoherverwar-men in de CO2-balans.

(§)

De kooldioxideproduktie bij de afscheiding van kooldioxide uit rookgas is afhankelijk van het toegepaste proces. Bij absorptie met arnmen bedraagt de COz-produktie 0.53

kg COz/kg CO₂en bij absorptie aan kaliumcarbonaat 0.62 kg CO₂/kg COl. Beide

proces-sen hebben een afscheidingsgraad van 90%, (Kessler, 1992).

Voor deze balans is uitgegaan van het ongunstigste geval, n.l. 0.62 kg COz/kg COz. Omge-rekend naar de produktie van propyleencarbonaat is dit 0.62*0.431=0.267

kg CO2/kg propyleencarbonaat.

Voor het proces is ook van belang de kooldioxide produktie bij de produktie van propyleenoxide. Om aan de veilige kant te zitten wordt aangenomen dat bij de produktie van propyleenoxide vijf maal zoveel kooldioxide vrijkomt als bij de produktie van propy-leencarbonaat door het gebruik van stoom en elektriciteit wordt geproduceerd.

Bij deze berekening is verder geen rekening gehouden met het gebruik van andere utilities, die bij normale bedrijfsvoering wel zullen plaatsvinden. Om dit in rekening te brengen wordt de berekende hoeveelheid kooldioxide per kg propyleencarbonaat met een factor twee vermenigvuldigd. De COz-produktie bij de katalysatoraanmaak en -opwerking wordt niet apart in de CO₂-balans opgenomen.

De CO₂-balans ziet er samengevat als volgt uit:

Kooldioxidebalans voor het produktieproces van propyleencarbonaat

Omzetting Produktie

naar propyleencarbonaat 0.431 Elektriciteit 0.002

Stoom 0.045

Absorptie COl 0.267

Propyleenoxide 0.24

Utilities 0.095

Totaal 0.431 Totaal 0.649

De vermindering bedraagt dus 0.431 - 0.649 = -0.218 kg CO/kg propyleencarbonaat.

(34)

-•

•

I \ "\ I

•

(

• rVJ

e

•

(35)

•

• Proces regeling, flexibiliteit en inbedrijfstelling

Procesregeling

De procesregeling van het proces is gebaseerd op de kwaliteit en kwantiteit van het produkt. De kwaliteit van het produkt is afhankelijk van de hoeveelheid bijprodukten die tijdens het proces gevormd worden. In het hoofdstuk Procesbeschrijving zijn voorwaarden gegeven om de hoeveelheid bijprodukten te beperken. Kort samengevat zijn deze voor-waarden:

- de temperatuur in het systeem moet beneden de 200°C blijven;

- propyleenoxide mag niet in contact met de katalysator komen zonder de aan-wezigheid van kooldioxide;

- de reactanten moeten zich in één fase bevinden;

- de katalysator en het kooldioxide moeten in equimolaire hoeveelheden aanwezig zijn;

Wanneer aan deze voorwaarden voldaan wordt, zal het produkt van voldoende kwaliteit zijn. De produktie doorzet is afhankelijk van de hoeveelheid toegevoerde grondstoffen en

de afgevoerde hoeveelheid produkt. l?e produktiedoorzet wordt gezien als een instelgroot- Ill~,VA heid en niet als een recrelvariabele die door de rocesvoering be aald wordt. Om echter -

r

~

aan e waliteitseisen te voldoen kan het noodzakelijk zijn om in te grijpen op de produk-

~y

tL

tie doorzet, maar dit zal eerder uitzondering zijn dan regel.

De temperatuur van de tankreactor R8 wordt geregeld door de voedingsstroom propy- ( ' leenoxide (3) te variëren. Aan deze propyleenoxidevoedingsstroom zijn volgens een vaste ..

verhouding de kooldioxidevoedingsstroom (4) en de katalysatorrecycle (29) gekoppeld. Wanneer de temperatuur in de reactor te hoog wordt, moet de ~pYleenO~d;voediEE

verminderd worden, waardoor de conversie in de reactor zal verminderen en e temp~~~-

t _

-'L

I

tuur zal dalen. ~.~C.K

De druk in de reactor wordt geregeld door middel van een spui bovenop de tank. Met I

~

j

deze spui kan ook eventueel niet opgelost gas worden afgevoerd. De grootte van effluent-stroom 23 wordt geregeld aan de hand van het niveau in de reactor.

De verhouding tussen de recycle naar de tankreactor (17) en de voedingsstroom van de buisreactor (18) moet worden ingesteld aan de hand van de beoogde propyleenoxide-voeding. Bij een hogere voedingsstroom dan de beoogde, moet de recycle evenredig meeveranderen. Wanneer de voedingsstroom tijdelijk lager is dan de beoogde moet de

(

recycle ongewijzigd blijven. De temperatuur van de recyclestroom naar de tankreactor (17) .

wordt geregeld door middel van de koe1waterstroom naar H6.

De verdamping in de kooldioxide verdamper (H3) wordt geregeld met behulp van de grootte van hulpstroom 7. Wanneer de verdamping onvoldoende is, moet de hulpstroom

~\~r gaan stromen, zodat de hulpstroom meer warmte kan opnemen in

wannte-l)

'v\.~

wisselaar H5 en dus wanner wordt. Hierdoor kan er ook meer warmte aan het kooldioxide

tG=-

~w'

fp

· ~1

Fabrieksvoorontwerp 3031 25

-'- W<>-UXOWc

~

UV)LcL"'v,

~

'

)0\--ft;-,J

UNV\

r

~

1

(36)

•

• lelbL-t/.):

Irt

COWL1;k~'6)

V'-- {Q;,-,,-p-

r-t':r<J

wCSL<lltI? W\.

~l'\

-.

'

T

~

T -"/

1=

(4) overgedragen worden. Wanneer de kooldioxidevoedingsstroom (8) wegvalt, moet de propyleenoxidevoeding (3) automatisch worden afgesloten.

De temperatuur van de buisreactor RIO wordt geregeld door de grootte van de koel-stroomflow (26) door de reactor aan te passen en eventueel meer of minder koelcomparti-menten in te schakelen. Hiermee kan de hoeveelheid overgedragen warmte geregeld worden. De temperatuur van stroom 26 wordt constant gehouden door de hoeveelheid koelwater naar H9 aan te passen.

De hoeveelheid stoom die naar de filmverdamper (H 16) gaat wordt aangepast aan de hoeveelheid voeding (35) die naar de filmverdamper toegaat.

De druk in het vacuümsysteem wordt geregeld door de vacuümpomp (P 17) voor het systeem te regelen. De overhead temperatuur van de stripkolom T12 wordt bepaald door de luchtkoeler (Hl3) van de toren. De reflux, die vrijwel volledig is, wordt bepaald aan de hand van het niveau in de reflux accumulator (VIS). De produktstroom (39) die aan de kolom onttrokken wordt, wordt bepaald door de hoeveelheid vloeistof die in het tweede deel van de kolom als reflux benodigd is.

Flexibiliteit

Afhankelijk van de vraag naar propyleencarbonaat moet het produktieniveau van de fabriek naar boven of naar beneden kunnen worden bijgesteld. Bij het veranderen van het produktieniveau is het van belang dat de kwaliteit van het produkt constant blijft. Om de temperatuur in de eerste reactor (R8) constant te houden moet de grootte van de reactor-recycle (17) evenredig met de beoogde voeding mee veranderen. De temperatuur van de tweede reactor (RIO) wordt geregeld door de grootte van de koelstroom (26) en het aantal in gebruik zijnde koelcompartimenten aan te passen. De condensatietoren is ontworpen op 80% van flooding en kan op 70% van de ontwerpcapaciteit werken voordat weeping optreedt.

Inbedrijfstelling

Het in bedrijf stellen van de fabriek kan het best in twee delen geschieden. Het eerste deel bestaat uit het opstarten van de zuiveringssectie. Bij het opstarten wordt het systeem met propyleencarbonaat gevuld en vervolgens vacuüm gezogen door de vacuümpomp Pl7. De filmverdamper H16 zorgt voor verdamping en verwarming van propyleencarbonaat, terwijl de condensor H13 voor de condensatie zorgt. De condensatietoren moet dan op volledige reflux bedreven worden.

Het tweede deel is het opstarten van de reactiesectie. Ook hier wordt het systeem eerst gevuld met propyleencarbonaat. Het propyleencarbonaat moet met behulp van een externe stroom verwarmd worden tot ±180°C. Vervolgens moet de kooldioxideverdamping gestart worden, waarna er kooldioxide aan het propyleencarbonaat wordt toegevoegd. Vervolgens moet de katalysator aan het systeem worden toegevoegd tot de gewenste concentratie in het systeem bereikt is. Op dit moment kan de propyleenoxide aan het systeem worden toegevoerd waarbij de reactie op gang gebracht wordt door de temperatuur in het systeem.

(37)

-•

•

Fixatie van kooldioxide Zodra de reactie gaat verlopen kunnen de reactie- en zuiveringssectie op elkaar worden aangesloten.

(38)

-•

•

• Economie van het proces

Bij de economische beschouwing van het proces is er van uitgegaan dat de fabriek in Nederland gebouwd wordt. Er is verondersteld dat de duur van het projekt tien jaar is met een restwaarde nul. Als referentiejaar is 1992 gekozen.

Investeringen

Methode van Zevnik-Buchanan

Voor de berekening van de investeringen volgens Zevnik-Buchanan (Montfoort (1991)

pp. 14-19) is gebruik gemaakt van de volgende vergelijking:

met daarin: I_B n Cf.i Pi m Cl investeringen in de proceseenheden, [k$] aantal functionele eenheden, [-]

complexity factor per funtionele eenheid, [-] produktie per functionele eenheid, [ktonljaar] degressie exponent (0.6)

Chemical Engineering Plant Cost Index (Chem. Eng.), [-]

(3)

De complexity factor Cf.i wordt gegegeven door de vergelijking:

met daarin: F[.i

Fp.i Fm.i (4) (F .• F .• F )

Cf

'

=

2 *

10

1.1 p.1 m.1 ,I

temperatuurfactor voor een functionele eenheid, [-]

drukfactor voor een functionele eenheid, [-] zie figuur 3, bijlage 7 materiaalfactor voor een functionele eenheid, [-] zie figuur 4, bijla-ge 7

De temperatuurfactor Fc.i wordt gegeven door de vergelijkingen:

F

=

0.018 ,"(T

- 290)

t,1

100 alsT>290K

(5)