Bereiding van acrylzuur door direkte oxidatie van propeen

(1)

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

.

...

J

.•

.

J .•. Y.:r:. ~ .~.:?wji1.ç ... ~n

.. __

.

r.

.

• .

J

.•.

S

J.l.ti

{tg h ... _ .. _ ... ___ ... .

onderwerp:

... ex.e.iding .. y.an ... acr.y.lz.uu:: ... doD.r.. .. dir.ekte .

.. ... Qx.i.Q.9::tJ.~ .. :v.9:n. .. P.J:.Q.Ilg.e.:p. ... .

adres: Virulyplein 17 , Rotterdam _{opdrachtdatum:} _febr_. ₁₉₇₃

Willem van de~ Zaandreef

7 ,

Voorschote~

(2)

1 1

Inhoud:

LA Sa~cnvutting

I~ Konklusies

11 Inleiding

111 Uitzangspunt2n van het ontwerp

IV Procesbeschrijving

v

rroc(:2.~·:o!1Gi ti(,é~

VeUZ0 apparatuur en berekening VII i·!as:,8.- en ',;arii:tcb<::lans

V!lÏ SY:.lJolenl i jst )-" Li tCl'atUL!r

[

:

Te!.;:ening IJ ij] 2.;;e 1 Bij l.sge

_"

.:... 3ij l .?_Gc 3 I .. 'lijla::r,e 4

r1

n

,

(3)

-2

l.

In dit fnhri~~avooront~crp ~or~t uitce~nan van propee~, d3t door

oxidatie ,'10t lucht, i~~bv. een ko.talysator, die uit arseen-, nio-bi U;;l en molybJeenoxiden O~) een ,<:"i lil~·l(:r:J.!::er bc:~ ta,:-, t, dire!~t om

-r

;;ezet wordt in acrylzuur , De :~~rceilconv,~rsie '~cllr,::é..l6t 82~~, t e

r-',;i j l de seleldivitei t voor de é1.cryl~!.uur vorèlünt; 5510 is.

De k3p~citcit beCraagt 20000 ton acryl zuur per j~ar.

De oxidatie ~ordt uitgevoerd in twee in serie staande fl~rC~cd

1 t I " ~,,~o(' 1 I t I " <:; (\

rea c eren ) l J J:J( v en een uc l-prO~)cen ver 10Uçtlng van co. Ol,

',:,;onnen, ,',af.ll'nél. door c;e~~tilé1.tie 99. f,;:' zuiver itcr,yl:è.llur -gerJ'...re,·'cn

word l.

De [rcot,:;;tc ;,joeilijkhcic: bij [-,ct ont" .. er~ ';ict;~ het ol"!tbr'J:,c:: van ge [;f::vcns over he t ternaire ;;icnz,sel élcry 1 zl!ur-u.?ij nzuu~'-.·. Cl t er,

De f<1b1'ie;.;: kost aan investerin'"en I 9 000 OG~J. De te venmchten pro(h.lktiel~oste!1 zijn f 05..; ' 1)e1' ton acr'ylz'J~.lr, --:'ij een te

f'

(zie tevens bijlaS8 4 ).

rl

n

(4)

L

3

l .

c. de ; .. cthod8 erg; vourdelig lijl~t te zijn

d. het bedrijf ;cen 2n~elE verontreini[ins

veroorzaa:~t •

Het grootste ~melpL:nt i.s hC't ontbrel~cn van g;eg;evens over het ternaire s::rstec.n acrylzllllr-azijnzt,ur-"atcr, w3.:trûoor de ('c"ti -latie:~olo:~; en de ab.:;orptietorcll;; niet na.u.'iket,ris- berekend

;':on-den \\'ordcn.

n

o

n

L •

(5)

L

[1

n

c: 0

...

<:> Cl :3

flcrylZl1ur (

m

e

t

(lp.

formu1e

:~=~-,c;~~

is epn bj:i

kRmer-temnerAtllur

kleur

lo

ze

vloeisto

r

.

Bet

is ee

n

erp'

g-iftjg

en sterk corrosj

.

ef zuur, dAt

zeer

gemAkkeli~k

polymer-iseert. De nolymerisati e kRn verhj nder0

vTorden

door

a~n

élcrylzuur polvrnerisatieinhibitoren toe t.e voepp.n hv. de

methylethvlester

van

hydrochinon

(MRHC)

.

Tot 10t=i8 I:J1:fd acrylzuur voornameli:ik bereid uit

aCT'vlo-nitril en

uit acetyleen.

Sinds

lqt=i8 wordt steeds meer de

I

oxidatie van

proneen toegePAst,

omdat

steeds meer propeen

beschikbaAr

komt

.

Dit

komt

nl.

vri~ bi~

de bereiding van

etheen

door

kraking. Voor

de

oxidatie van

pron~en, zi~n

.

twee verschiJ.lende methoden

mogeli~k;

~ .. ''1r~ •.. ~'-t...-( jL... __

\-~

a. een

indirekte

oxi0atie via

acrolein~,

80

60

40

20

0

b.

een direkte oxidatie.

Tlnion Carbide

ber-on

in

lq

t=iq

de

eerste

commerciële fabriek

vol

pens

methode

~~ .

VAn metho0e

~h

waarover dit

fAbrieks-voorontwerp

~aAt

bestAan nop

gee

n

commerciële

fahrieken

.

Acr:vlzuur wordt

voor

nameli;ik p-eb

ruikt

als

p:rondsof

'lOCJr

de

bereid

ing van

acryl

zuure

sters, de ze

I<Tord

en

p~eDO

lymeriseer

rJ

'

o

t

acrylaten die

voor ze

er

vele doeleinden worden

~ebruikt.

O.a. contructieve.en dekoratieve

doeleinden~f\n

de

verf-

en

textielindustrie.

De Japanse en Amerikaanse

marktverdelin~

en

produktiekapaci-~

teit

staan

in

~rafiek

1 ën 2

(l

it.1).

250

'"

/" . . / '/ 200 c: 0

...

g 150 ~ 100 ? 50 D 1965 1967 1969 1971 1973 1975 196!i 1967. 1969

G

~AF\t:\< 2

- -

- - - - -- -

-;

I

I !

(6)

U

L

!

:

[1

n

r

111 Uitp;anr;spunten van het ontwerp.

Externe ~;egevens

Bij het vonrontwerp is uit~egaan van een kapaciteit van

20000 ton acrylzuur Der ~aar. Voor ~~n ~aar zijn 8000

hedri~fsuren gerekend. In onderstaande tabel staan de

~rond-en hulnstoffen, die per ton acrylzuur nodig zijn, en wat

net ton acrylzuur vrijkomt.

Nodi~ per ton acrylzuur

,_.

-

--

- _. --- --- - - - --- - - ---..

---

-propeen (1005'6) procesweter stoom lucht koe11·T.!1ter stroom 1.21 ton

o.

S?

6 .77,

I: ,9 j:te, ~. -- . ' i "

37

0

kwh Vrij ner ton a~rylzuur

stoom 10.82 ton a 7.i jnzuur-v-!at er c

~ ~

't

26.2 ,

1.02 (sAmenstelling in vol~

N

₂

02 CO

₂

7

9 .

02

20 .gS

.

~~

' )~

_

...

--_

..

-

-Het te ~ebruiken DroDe en mag; prona an bevatten , dit \~o<td.t{')'f)

de katalysetor nl. niet geoxideerd.

De enige afvassen die qeSnuitworden

zi~n

kooldioxide en water.

Inherente gegevens

De fysische constAnten zi~n in bi~la~e

2

vermeld.

Hoewel acryl7.uur sterk corrosief is blijkt toch bij ~uiste

handhavin~ van de tem~eraturen ~ewoon stainless stenl

voldoende (lit1,2).

De exnlosie prenzen van een propeen lucht menrrsel bliikt te lü"p'en tussen de

7.J

en l.l~o~. Indien de nartiaalsnFmninp'

0.03)

van stoom hOP'er flan

7,0

90

wordt kan rreen exnlosi e meer o~t

(7)

-

-U

f'

L ~

De nropeenconcpntratie jn de voeding js 12,7

vol

%

dwz.

dat

r'

l.

gepn explosie kan

o

n

treden.

[

~

_~.)

r

_{~ ~'l.J}

~

y

~

'7

".

ftcr~lzuur

is

zowel Acuut als

chronisch

vergifti~end.

Er

zal dus veel

aandacht besteed moeten worden aan

een

Foede

afdjchtin~

van

leidin

g

en en apnaraten

om lekken

te

voor-komen.

r

[

~

[

.

r '

r'

r~

f

r

I l J

n

~

r

(8)

r:

r

:

r ' I ( .

r'

, l , r ' l . r ' 1 J l. J

o

n

r

---~ IV Procesbeschriiving (~je tevens de tekeninp) o 0

Stoom van

L7

0 0

en 2.~ ata wor~t met lucht van

107 0

en 2.S ata gemengd. De- lncht verkri,igt; men door de buitpn-lucht van 20°0 te comnrimeren tot 2.5 ata. Hierna wordt proneen van

2.~

ata en

20°0

toe~evoe

~

d.

(Dit in teg

enstel-lim~ met de tekenin~: eerst proneen en stoom mpn~en geeft c().".,densat i e van stoom-;·) De t emneratuur van dit menR:spl :i s

()

7q C. Het mengsel 1' Tordt dAarnA in oven 0

7

ver1rvBrmd tot

rOAkt;ietemneratlluY'

(:t)Q7°C')'.

De reHktie van nropeen meT. ZlJur

-stof vindt dan in reaktor

R

3

nlaats, WRar de nroneen voor

60 %

~ordt omp:ezet.De reaktiewarmte wordt af~evoerd door warmtewisseling m8t een stoom-water mengsel in warmtewisse-laar H

4,

die zich in

R

:t)

bevindt . Het gas uit de r8akt or wordt dan in

H

11 p'ekoeld mbv. ketelvoedino:swater "tot

1 ?

00 0

"'aarna de Acrylzuur en azi,lnzuur, die in R

3

gevormd zi.-in, verwijderd wordt in

T14,

door koeljng en wassing mbv. het produktmengsel. Aan het gAS uit toren

T

14,

dat nog ongeveer

40 %

van het oorspronkeli~ke propeen bevat, wordt dan zoveel

lucht toe~evoerd dat de poede lucht-propeen verhouding

be-reikt is. Dit mengsel wordt dan ~n 0

7

opgewarmd tot reakt ie-temperatuur (ook

~q7

°C).

De reaktie vindt dan plaats in

reAktor

R

,

en de reaktiewarmte wordt afgevoerd door warmte

-wisselinr-: met het water-stoom meni:':sel in H

9.

Het gas uit de reaktor wordt ~ekoeld in H 12, mbv. ketelvoedingswater, waarna weer acrylzuur en azijnzuur verwijderin~ plaatsvindt in

rr

15.

Het acrylzuur, azi~nzuur, water men~seluit T14 en T15 , wordt nadat event ueel aanwezi~ katalysatorstof verwijderd is in F

IR,

opgepompt naar V 16. Hier wordt een gedeelte gekoeld in Hl3 mbv. koelwater en gebruikt A]S koelen absornt

(9)

~e-U

! '

I I_

r'

L

t:

f\

0-

Y-~

r '

~

.

r

'

(~

l...>-r

J • ..r-i

_,

~\. ~ r . r I I L . ../ Q.' ~

r

.

Ç)

I'

l .

r'

_, i ,

r

~

r '

l

,

n

l J

[1

f]

n

fi

[

.

I' ft

middel voor de

torens T

14 en

T

15. Ee

n

ander

deel

vormt de

voedin

g

voor

kolom T

19,

waar

een azeotropische,

extr~ctieve

--

'---destilatie

plaatsvindt.

Als bodemprodukt verkrij

g

t men

9q.8%

zuiver acrylzuur, terwijl

als topprodukt

een azijnzuur-water

men~sel

(2

6 .

2 -63.8gew

%)

krijgt.

Als

stookgas voor de oven

wordt

het

gas

uit

T

15 gebruikt.

Het vo

o

rdeel hiervan is

dat

het afgas

volledi~

verbrand

wordt,

zo

dat

noch

het niet

g

erea

geerde

propeen, noch het

~e-vormde koolmono

xid

e,

noch eventuele sporen van

acryl

zu

ur

of

azijnzuur

ge

loosd hoeven worden.

Toevo

efö

ngen.

_._-~---

-

~ ..

---

_.

_

-

--

-Omdat

de katalysator arseentrioxide bevat

en

dit enigzins

verli

est

bij

400 o

C,

moet

dit

~e

compenseerd

worden. Dit

doet

men door, zowel in stoomnummer

9 en

25,6

k~ arsepntr~oxidp

per

uur

toe te voe

g

ell.

Om nolymerisatie VAn

acrylzuur

te verhinderen

moet

men

de

methylethylester

v

a

n hgdrochinon toevoe

ren

. Dit wordt

in vat

V

16 gedaBn. f

Jf

en

heeft 200 npm

t·mBe

nod.ig,

ofwel

0.5 k

g

/ho

Procesre

ge

ling

-

---

-

.. _--

-Voor

een goede procesvoering

is vereist, dat men

D,~

a.

de

ve~houdin~

nroneen-lucht-stoom

re

g

elt

mb~.

flow- en

flowratiocontrollers

b. het niveau in vat V 5 mbv een regelafsluiter

On

de

keteJ-water

t

oevoer

c. de temner

at

uur

in de kolommen

T

14 en

~

IS mbv

re~el-afsluiters on

de

s

tro

men

3q

en

40 d.

de destilatiekhlom

T

Iq

regelt.

(10)

J

[ ' I l ~ f ' f

l

,

l

,

r ' I

i

,

r'

1 r '

l,

r'

I ,

r

'

r:

r-'

IJ

n

Flexibiliteit.

De nroduktie kan verminderd worden door:

a.

met lapere

VRssnelheden

te

~aan

werken

b.

met

~rotere

hoeveelheden stoom in de

voedin~

c.

indien voor zeer korte tijden

la

gere

nrodukties

Rewenst

worden,

door 1 reaktor uit te schakelen.

Indien een lagere produktie

gewentt

wordt, zal men de

warmte-afvoer in de reaktoren moeten verkleinen. Dit Kan

berei~t

wordBn

'

, . doordat de

wermteovernrachtco(:;ffj

ciënt in

de

reak-tor evenredig is met ne massastroom tnt de macht

~.4.

l

Door een

goede

comb~natie

van een

ho~ere stoom~ErhoBding

en een

la~ere ~assnelheid

kan

men dan

de

~uiste

temperatuur

in de reaktor hRndhaven.

Voor torpn

fjl 14

en

IJl

15 is een

la~ere

acrylzuur

en

a7.i .-inzunr

hoeveelheid in het

vas

niet

h~7.waarlj,jk.

D~stilatie to~en

T

19 kan

hi~ la~ere

toevoermet hogere

re-fluxverhoudin~en

gaan

nraaien.

OnstRrten.

Bi~

het onstarten

moet

men oven

0

7 langzaam on

temnerA-tuur breno'en, terwi.-il een stoom lucht mengsel ongewêH'

m

d

wordt.

~et n~t

mengsel

fluidiseeri

men

den

de

reaktor

en

door T"rnnppn

arm

het 11lcht-stoommenp'sel toe te voeren.

Het

stoom-wet er syst

eem

kq!l r'1P!l ri

An

t;eV(~n;

g:R

an

circuleren.

Vat V

IG 'hevat"W'ater.

!'tv'bt,n,qnl'lt

de nrnriukti

e

hep'onnen

j

s,

p:ec

i

rcnl eero 1

,

·rorrlt, totn Rt ne

.in

i

st e aCT'v171lur-R 7.

i :in

7.1Jl1r

knlom knn h0P'lnnen.

(11)

-1I LJ ( , I I l _

l:

r'

l

r~ l

....

.

ID

tuur

g'

phr8cht.

(12)

r

'

l • [ ,

1

r

-I

\

.'

i

l . r'

l

(

[

~

l]

n

r

1

?

~ 11

5

h

7

p, q ]0 J J

Bi~ de reAktie VAn nroneen met zuurstof kunnen vele

rPRktje-nrodl.lkten O'pvnrmà wnrelen ,znAls ~. kooJrnonoxide.koo1n-;nx:ide,

Rcrolpl"ne,RCReT.AJr:1ervCle,aCT'vl7.UllT' en Rzi:iinzllllr. ~1en 71'11 ons

~

In

tAbel

1

S~8qn

ne

verschilJende nroceSS8n waRrhi~ acrvl7.uur

TABET· 1.

I

BR9'in~-H:Jm~::/1}

V

np:

I

tRmn Iv I er bl" --Ll'ft" -- ,J_. ;d conv. f'elect. I li~

I I

T'rnn/lucht/stno]11 !

Or;

!

sek. tot; PC:r7. _

___

__

_

___

__

_

________

_

___

_

__

1. ___

_

______ :

____

_

i . ...-...

-

-_.

_

.-

.. -~ J ~-4

4-4.2

~Fs-~p,n

46-60

qp, C:;()

₄

1.

?OS

1J-. 1 h ! ~?S-SSO

S4

o~

47 ?

1

'l.S

~

4?S-4CJS

? ?

1 S

~O

b

1

'7.?

4

L~OO ?~

SP,

7

J

h.7

S.~ ~8S p.('I c:;c:; 8 I '7.C; Ç)

1150

~ ~-c:, Cl 1

lS.1

Jh.1

_

~L~O

5.4 OS

c:,p, \ 0 ] F 1

400 ?

FO

C:() I \ I h J

?

?6

hl

1'2

].

_?6

h ~50

₅

G()

i

3

~.3

5P,

c:;o I Lt

Vonr (le 1{eu7,e V-"ln pen l<F.ltFdysator weust; men (le hooO'sT.e sel

Rk-fllnkti e VRn elP, ve:rf,l i :iftLià ,(18 verhollc'linr- lu~ht-nroTle8n en

(13)

1 1 L , r ~

l

[

~

r :

n

[l

o

n

r

de temnerAtuur.

Deze

~jn~~~0k

wordt

~ebruikt

omdat

in

-

de

fe

en

echte kinetiek

ver

m

eld

wordt.

IfABF.T, ?

Conversje

tot

8cr:v17.uur= ?0.h6

+ l.65q~t

- O.6'S'S7

.:o!I'

.J

t

~

Selektiv:itpit

voor oe

Flcryl7.uur

vorminD'

:=

52.'76 -

5.1SP

..

\-T

-'S.7,O'7~

1. rr

:t

R

+

'S.06l

.

f

'r

:t

p?

-

?'S7~

~

t

;\;r?

+

'S.?2~

~

T

:;

t

.

yR

C;onversip

tot

a7.i,lnZUur

:=

7.'7'S

+

O.'74Q

:

vt

+

O.4Ql

..

n

-

O.hhS ~R

-o.'SnSJ~*t + 0.?h7,*t~R

<

waFlrbi~

T:= (temp

in

oe -

'SqO)/lO

t

(·

= (

verhli,lft'i~,-;d

in sek. - O.Q14î/O.ll7

R

== (

verhoudim,: lucht nroneen _c,.LJ-6J/O.qr:,

conversie

~eli~k

is apn

het

aantal

molen

gevormd

?

nrodukt

gedeeld

door honderd molen nroneen

in de voeding

. C"",,c"'-Ó t

,)

selektiviteit:

het

8antal

molen

v,evormd

,

nrodukt

r:c

e

-

-·

d

e

eld door honoerd molen

om~ezet

proneen.

verbli~fti~d:

het

volume van

de

onve~Ynandeerde

kata-lysator

ved

eeld door de volume

stroom van

de

voeding bjj reRktie-temueratuur en·(Jruk

snRce-time

yield

'

: de hoeveelheid

ge

vormd

ac~vlzuur

(in lb/h)

gedeeld

door het

katalysatorvo-lume

(in

ëbic ftî

Voor de gekozen katalysator

wordt

vermeld, dat alleen

acryl-zuur, a

7.i

.lnzuur, koo lmonoxin e en koo l() ioxide

}lO

rden

revorrnrl.

ander

'aan

n

am

e van de volgende brut;ttSreakties:

4 I. H .iC>

H

L

--1)

U

2

C!.:::.

e -

CH-::, -' 1.

~

02. - - -

t1,

e.,:;;::.

f2 -

f2. _

01--/ +- '2

0

(14)

\ '

r

:

r '

I .

n

o

n

i

\

L~

.

1-\

L~)

~2

<l. .:::.

C. -

eH!:> + ., D2 - p

?

Co

+

'3

Hz 0 (4)

\.t

2

Cl.:::

è~

~~

-\..{5

o~

-

--

"3

ClJ:;? +

3>

~2

0

en de ln

tabel

? ~e~even

relaties.wordt

de

nroneen conversie:

CR

_IJroneen

-

conversie

-.--

... ---.--.--.-

t

..

ot

-... -

ac

...

--

rvlzuur

.. -

..

-

..

--

'*

100

selektivjteit

voor Acrvlzuur

en

d~

conversie tot koolmonoxide en kooldioxide tezamen:

C

CO+C0 2

=,;)~(C

-c

--1~5C .. ).

-

prop

acrylz

aZ1Jnz

Verder

is verondersteld, dat de

verhoudin~

koolmonoxide-kooldio

xide

'di

e

is

vol~ens

het

evenwicht:

(~)

I)

Bepaling van

de

g

eldi

g

heid

van

de in tabel 2

~e~even

kinetiek.

Voor

de in tabel

2

ge~even

relaties werd het

geldi

~heio8~e-/' C'

bied benaold

voor

d e

kon-j~Akttj

:

id,

de tl"!mUer8tllur

en

dp lur.h.t

l},v ,

)J

;:~

( \

nroneen verholJrl;nO'.

Onoer rrpJoiR:

VJ0rot

ve""'s

tAen:

}-'\ r< •

U JY .,,);/

f Y , < I ' . ) (

v\j f "'/'''1. Y 8 . Ol"!

T"rOT"een Grmvers

ie

neemt toe met ].gnr-ere kontBktt.i.-iClen

'""

J-

f{

v-~

:V';/~f~

~

'

I~./f...·

~),

.

• J J" r. v / i/ '1'" ~' ~ .J

h.

oe

c0nversjes

kunnen niet neVBtief of

vroter

(lAn

honrlerd

1}TO

rël en.

De formules bleken

geldj~

indien:

In het hiprboven

vefT8Ven geld

1p-heiosCJ'eb:ieël

werd een druk, epn

temnerBtuur

en een

verhoudimr

lucht-nr0neen

9'ekoze

n.

]\1

pt (le?:p

lende

kontAktt.j~~pn,

berpkend en hieruit mbv.

de

snAce-tj~e

katal

v

sa

tor

en

de

he9'insAmenstelJinv

werd een

kont.Akt.t.j~(l

be-rl"!ke~o.

Dpze moet.

p'e]j~k 7.i~n

aAn (le AADP"pnomen

knnt.p~~j~O.

!

In

hi~lA~1"! 1

worot het nr0CJ'rammA

vonr

de berekeninp' en

dp

reslllt;,gbm

hie""'vnn verme]o.

(15)

C

I .

r • l .

t

:

l

:

L

[-[

:

r '

l.

[

.

f '

~

r '

l .

[~

fl

n

r

L

zj~n

in

v

p

rh

R

nd

met een tweede

reRktor in serje

~pt

ele eerste

reAktor (de

motivatie

hiervan vol

g

t JAter),

hebben

wj~

ee

n

drlJk ven].7

Ç1t:

a jn

OP. eerste reekt:oT'

p'

ennmen.

TT:it

bi

:i18n-e

1 en n-rFifiek

~

hlLikt

dAt een nntimAle

con\TP~T'sie 1""...1

I p~

D ~ ,(- .

VFln

nroreen en

een optiJTlFlle

selektiv:i

.

teit voor de p.crylZllUr

,

4,;) ________ - _ _

-,?

C\J"'(l'1

'/v"

'" - b,1.-

vorminR' berpj

kt

vw:rc1t, i nd

j

en

(j

e itu:oht-nroppe

p

verhond

inR'

tu

f"-4,r / >r 1 ~ j .\..'1

r

,.,.

\ .. r 1 ~ ,ol / . .,.ó '\ IJ "f At . 'i .'\J 'l.

,F

i .('

...

~w v;( I ~ r",' " , " ',j A~<i"

c:~

-- - - -

-sen

(lp

S.R

en

6 .

0 ljRt

.

Ind:ien

we een

kontpkttj~d VRn

? ?

sec

nemen,~i R't

deze net

rn~ddeh

in

het

~eldigheids~ebied

van

de

t~d.

In

g

ratiek

4 staat de

conversie

van

propeen en

zuurstof en

de

vormin~ssnelheid

van aórylzuur

en azijnzuur

uit al

s

funktie

van de te

mpera

tuur.

A

ls we

werken

bi

j een

temperatuur van

~q7°C

heeft men net no

g

~een

volledi

ge

zuurstofconversie.

Voor de eerste reaktor worden de kondities dus:

lucht-pro

peen

verhoudin

g

:

5.9 druk

temperatuur

kontaktti;i

d

2.2 sec.

Voor de tweede reaktor worden

door

procesomstandigheden

de druk

1. 0 ata

.

De

space

-ti

me

yield wordt

hier

,.5

.

B

ij

het

do

or

ons te gebruiken

reaktiemen~sel,

en een temperatuur

geli~k

aan

die van de eerste reaktor

(3Q7°C)

bli~ken

de

lucht

propeen

v

erhouding

5.9 en een kontakttijd

van

?6

sec.

de

(16)

)'

[l

n

'00 ! bo 40 , 9.0 i I r·· .. I Uo

bo

"

\ -··1···

Oe

.&::3\e\c.t..

L-)

av.de.

Coil\.llCf?ieC - --:>

l;a-v,

~ê)\op.z.e-vt

o.ls

~lc:be

\):::.w, d.e . :

\;<2.I\ru.9~d.1.N1 ~ ~ - \e1~eiIl I 6.:t t.7~-tct . , . 1-; ...

,

é,,:

t

m

0

'3

c.\.~

\

'

<

<1. - .. , " .

. __

- T

-= 4ooC,C f-=-4co°ct T", 3CF/'è. - - .. ,;

.,

--

-- t- -..

-"j-." _ .. --~ ... _- ----r-I ' I '

+

i --, , .. - -r""---~ j .--! , , i-- .,1 .. I .. j _ ..

~

---t._

-:

.

-;

-I .-.. -__

I

I . !

i

- ;.. - i-. , - " -. ' -i-' I

.

!

GQAf\t:.

K

.4

, i .... 1- ... _ .. _ .. . i

(17)

u

[

r

n

r

t · c k .

De

oxidatie van nrOTIPen is een eyotherme reak

le. ne

ra

tle-\varmte

voor

(l

e

vj

er mnp"e

1

j

.

4ke nrodukten

werd en

here kenil

mh".

de verbranoingswarmten

bi~ ?Q~oK

en

i

atm. Om

de

reak~je

WAT'm-te herekenen

~erd ~ehruik

gemARkt

-I

Tf

<1 Cp oIT

2q~

Voor de drllk

1.ftTerd

ereen r-orrectie AAngebracht, omoat oe gFlSSen

Al s i dPRal 1

,

r

n

rnen

heschollw(L

_Tn

tFlhel hstaAn ne reakti

e\'Jarm-tp

hi~ ?O~oK

en

oe~vnor

de

verschillen~e

reRk+ies.

repktip.

1

]G7.S

?58.?

4 LlFl.O TARF.J, 4 7-;

10

7., JO

(eBT/mol')

2.?O -

O

.O?lc)

T

-l.P?

+

0.07-:F.?

T

LJ

}'-('):C;;~\c.:v Jn

grRfipl;::

ij

stARt (Je

rep1ltje",r~rmte 1.Jj~

als

f1Jnk~ie

VAn

(le

~

Y"

\,)r .~/

t

t f.._{b · ·}R C)

°

t 2 ? k ry 1 11 t t

·li,.-J'

,e

rr

mprR uur

1.'

=

/ •

en

0: ...

se

.

. .

'

08 .. _S

men

.,

ons a

eert

'i

/

'l./

,

Y"'~;,

1

neemt de reaktiè\S'2rmte

bi,l

hovere temperatuur

af

.

Dit

is

het

1""' ....

1 ~(/.

I.. y~ ~evolk ~an

het

fejt dRt

bi~

een

verhouding lucht-nrnDeen

VHn

1;< r ./' . Jrl" ~.)r'1

ttS""./

5.°, 1.?1

F. mol

zuurstof per

mol

proneen

aanwezip'

is.

re

max-J

imale warmteontwikkelinp", die ontreedt

bj~

volleoip"

zuurstof

verhruik,

voor de verschillende reakties i

.

s vermeln in

tabel

S. O

moat

bekend is dRt

bj~ sti~gende

temneratuur

de oxidAtie

tot

koolmonoxide toeneemt, di

.

t

bJi~kt

ook ujt de

eer(!ere

rel

aties,

(18)

u

L

[

:

( . [ . r ..

,

r '

i l ,

fl

l J

rl

n

f' I l J TABEI,

'5

reaktie

1

_:

_.

t

2

~

i

3

, '.

I

4

aanta

l

mol zuurstof\

~era~eerd

aantal

reaktie-I

nodi

g

ner mol

prop

.

:

mol propeen

-

-_

..

_

..

-

.

... _-_ .. __

.-

-

"-

"

-'--r--

.

1.

5 I

0.

82

4

1.5 _\

0.824 \

4.5

0.275

3 0.LJ

·

12 warmte

--T----\

116.4 \

13

8 .0

I

i ~

106.4

1

26 .8

,j

1

--

'

- -

:

-e

._

.

_

.

! \'20 ! .. i.

I

·· ..

\. i . . I . ,

...

,

.

_

.

1e

~~~w.te i

~

~k~La-v,

de .

h2~'\O

bii

lQ

:>

LS

G

g

~

.

:

b~ 2.2 ~ I I . i IS tnbi ~l is .

'7

(19)

l

L

l

[

:

I

l ,

n

o

n

d

VI. Beschr~ving van de apparatuur en motivaring van de keuze Kompressoren K 1 en K 2

l~

De kompressor K 2 zuigt bui tenlucht aó,n en kompr-e-esee:Ft deze tot een druk van 1,6 ata.

De uitga~nde stroom van K 2 wordt gesplitst in:

a) een stroom die ~ebruikt wordt voor de voeding van de tweede

reaktor R,,8

b) een stroom die duor K 1 verder gekompresseerd wordt tot een druk

van

2,5

ata en die dan gebruikt wordt voor de voeding van de

eerste reaktor

R

3 .

Bij de berekeningen werden de voltende formules gebruikt:

het theoretische vermogen

P

th werd waarin

)(=c/c

p v

*

[l-(~)~J

~m massastroom in kg/s P druk in

Nim

2 dichtHeid in kg/m3 berekend met

index geeft aan de toestand voor de kompressor

index 2 geeft aan de toestand na de kompressor

De temperatuur stijging wordt voor"adiabatische'kompressie gegeven

door

T

2

=

T 1

* (

P 2

/p

1

)~-1

Ix

waarin T = tfupera tuur in K

In de ondersta~nde tabel z~n voor de beide kompressoren deze grootheden gegeven:

K 2

K 1

--- - _ . -

--f6

_m

4,685

3,403

P

1

10

5 1 ,6*10

5

P

2 1 , 6*1

0';;

2,5*10)

J>1

1 1 ,3

T

₁ 293 335 18

(20)

II

r :

r:

f . I l . t ,

rl

l J

[]

[1

n

r

l J

Het ware kompressor vermogen P kan met de onderst"éinde formule

w

berekend worden uit het theoretissche

Pth = Pw :JE l'}hydr :JE 1mech :JE ~vol

waarin _~h.Ydr

0,8

ztmech 0,9

n =

<"',7

wol

De resultaten van deze berekeningen zUn e~n

en een uit5aande stroom met een temperatuur

K 2 en P ~393 k~ en T . d=107°C voor K 1. w eln vermogen P =462 kW w

°

T . d=63 C voor eln

(21)

r'

L_

r'

l

.

r .

l

r:

r ' I l .

r .

l

fl

n

Reaktoren R 3 en R 8

Er kan gekozen worden uit twee reaktor typen,namel~k

a) de buisre~ktor

b) de fluid-bed reaktor

In de meeste bestaande fabri8ken wordt gebruik gemaakt van

buis-Om het b~ een buisreaktor zeer belan~r~ke axiale temperatuur-profiel te berekenen,moet de conversie als funktie van de

kontaktt~d ook bekend zUn voor de korte t~den.

Van de gekozen reaktie is de gegeven kinetiek ( lito \\ ) slechts geldig voor kontaktt~den groter dan

0,7

seconden.

Met een totale kontakLt~d van enkele seconden,waarbU de gewenste conversie al bereikt is,kan een temperatuurprofiel over een

buisre~ktor niet voldoende nauwkeurig berekend worden.

Bovendien werd de hierboven genuemde kinetiek voor een belangrijk deel bepaald met behulp van fluid-bed reaktoeren.

Het nade 1 van e "n fluid-bed reaktor is de hogel'e kostprijs t.o.v. de buisreaktor.

Voordelen van de flu~d-bed reaktor zijn:

a) deor de homogenere temperatuur,kan deze en daarmee het proces, beter e8reGeld worden

b) als gevolg van a) kan het prod~kt zuiverder z~n c) betere demping van explosies

BU de berekenin~ van een fluid-bed reaktor z~n essentiëel: a) de minimale en de maximale fluidisstie snelheid

b) de invloed van backmixing

ad a) de afmetingen van de katalysator deeltjes worden gegeven als 80-140 mesh ofwel 1C-4 - 2*10-4 meter.

De minimum fluidisatie snelheid wordt vastgelegd door de eis dat OOK de gruotste deeltjes gefluidiseerd meeten zUn en kan berekend worden met de vole:;ende formule:

I :

(22)

l ; I • l _ r •

l,

r

r .

l.

( . I ' I I I l I

f

1

l

J r ' I I , l l rl

l.I

r

1 l

J l . 2 v min *-waarin 1

,75

Po

₁

₅

_{0* ( 1 -} _E₎_*1"\ (

Ys

E. \.~

d p ,'1-" [, Ij v min

Po

Ys

t

d p g + v :*:

E

3* t = min ;2 d

_p

I

"t.-1.-""V'""\

minimale fluidisä.tie snelheid in

mis

dichtheid van het go.s in kg/m

3

diohtheid vo.n de katalJsator in kg/m3

porositeit van het bed

diameter k~to.l~sator deeltje in m

visco~iteit van het gas in Kg/m.s

- Jo

) * g

De

m~ximble fluidisatie snelheid wordt bepaald dooi de eis dat

zelfs de k~einste deeltjes niet uit het bed geblbzen mogen ~orden.

v max waarin

c

w

0,5

0,43 al s Re

<

1000

Voor de genoemde deeltjes grootte volgt hieruit dat:

v .

mln 0,09

mis

v =

2,5

mis

max

De gassnelheid in de reaktor wordt mdestä.l gekozen z6,dat

v ~ 0,4 :Jf V

max ( lito IB )

Er is hier gekozen voor een snelheid van

0,85

mis.

ad b) de invloed van buckmixing

BackJllixing be::;cnriJft de verblijfti.]dsspreiding van het 5<1S,

ä.ls een lon6itudinale diffusie 5esuperponeerd op een id~o.le

propstroom,wat de volgende differentiaal vergel~king

oplevert:

wä.arin t ver ol iJf tiJd

(23)

1 _, ' L • l .

r

['

[

:

[ 1

n

rl

r

~l

=

longitudinale diffusie coäff.

De randvoo~~aa.rden z~n: v .G )(

o

dC

101 'Ox voor x voor x

wa~rin 1 de lengte van de reactor is,dus bU e~n fluid bed de

hoogte van het bed.

Voor het acryl zuur geldt

C

+ at dus cons tan t

De oplossing' van de diiferentia.al vergelijking wordt dan:

C = C

acrJlzuur A

~.x

+ A + B.exp(v.x/Dl ) NéL invullen van de randvoorwaarden levert dit

CA = G + at -.1

yv-', Deze uilkomst is geli.;k aan de gegeven formule,en dus heeft

~.V'

(:

L-"

~

\;-v'v-f'v '~"~'~ I béLckmixintS' g'een invloed op de vorming van acr.1lzuur. iNv-'

Q ,1,-",,<' .~ ,

o

L

./' i--)'

vJ.-~ 'V..'/" ,,,,,,,~' Omdat de vorming va.n azijnzuur en de selectiviteit van de reacties

\, I J.-. ./.1 .~

.

11/

~

;,."

J

'.

beschreven worden met een zelfde t"pe formule als J.e vormin,:,p Véin

L. :w' ,,' ol C>

t ~ (f-"v

1,--') '1 ~ v-rr éLcrjlzuur, zal de backmixing geen enli:.ele invloed hebben op het verloop

'-- /

.r

van de reaktie.

Invloed van de backmixing was ook niet te verwachten omdat de formules een nulde orde reaktiekinetiek geven.

~

~d\),~1")

~

'l.- .

De maximale conversie Van propeen die noe dan ook in ~~n pass

\L ,,,.;

~ ~~. v door een reaktor bereikt kan worden is on5eveer 60

%.

J

..

I:' ~

/~,

)J . 0,

~

,Men zal CiuS of ui t ne t

-

produk tgas zuiver propeen terug moe tEm

d' '>

f\

Y }.\;'\.

'( ",rf"J.

v" / N~ j,. \ -,IJ ~

/' ?

Y'"' ':v-<yJ' ",\;v

J

~"

winnen voor recircula tie of men zal het ä.cryl en azijn-zuur moeten a.fscheiden en ond .. r toevoegine; VéLn lucht de rest van het pr'O,t'een in een tweede reaktor moeten laten reageren.

Ai'sceiden va.n l1è t acrylL.uur is noJ.ig om oxidatie daarvan in de

tweede reaktor te voorkomen.

~inLing Van propeen uit het produkt6 d8 ( bestä.~nde uit stikstof,

(24)

[

:

[

:

I ~ ,

n

koolmonüxide,stoürn prope~n,dcril en az~n-zuur) kan alleen dooL

condensa tie bij verhoog'-l.e druK en/of verlaa6"de temper .... tuur.

De grote hoev~elheid sto0m die dan erst gecondenseerd moet worden

en het risico van ex~losies door resten zuurstof in het gas,maken

--~---dit proces minder a~ntrekkel~k.

Serie scnakelin~ van een tweede reaktor lijkt dan een fietere op-los.,ing.

Door de ~rote hoeveelheden inert,die mee ~aan door de tweede reaktor,daalt wel de space-time yield,d.i. tiet rendement van de katal,isator.

In beide reaktoren is R

=

5,9

en T

=

397

oe.

Dan is in de eerste reaktor ie space-time Jield

9

en in de tweede

3,5·

Voor een pl'odl<ktie vem

2,5

"on/h dcrJlzuur moet in de eerste

reak tor 0,489 kó/" en in de to"eede 0, 206 k~/s 5evormd \.orden.

Bij e~n lineaire 6"ussnelheid van 0,b5 mis wordeD de afmetingen

van de reaktoren als weergegeveD in de ond~rsta~nde tabel:

m3 kat D({n m) L/D

1 e r8dk tor

12,2

1

,92

2,85

0,67

12

1

,45

3,30

0,44

Koelin~ van de reaktoren

-~----M.b.v. de r eds eerder vermelde reaktiewannten weri de warmte ontwiKkeling in de reaKtoeren berekend

1 e reaktor

_{9428 kW}

2e rei.iktor

=

7793 kW

D~ reakti~w~rmte wordt afgevocerd door een water-stoom men6sel

(25)

'\ \

!

\

, \ ,l< " /1

0

! ~'

0 c)

0

c.-:J , .

l

L

n

o

D

o

n

~

(26)

I .

[

:

r

-I

\ 1

r

1

I l 1

[

]

n

De overuracht van de warmte vanuit het bed aan het water-stoom

mengsel gebeurt in drie stappen :

a) overdracht vanuit het bed aan de buitenwand van de koelbuizen

b) transport door geleiding in de buiswanden

c) overdracht vanaf de binnenwand van dekoelbuizen aan het

water-stoom mengsel

ad a) de kenmerkende overdrachtscoff. h wordt berekend met de

°

A B

3,4

als

P

*-

f

. ( 0,237 *- 106

A 2,2 B =

0,44

als

>

_0,237 *- 106

Cp:: specifieke -warmte Vcin de deel tjes bij bed temp. in J/kg. oe

D = buitendiameter van een kcelbuis in m

1

D = binnendiameter van het bed in m

2 ____ --- _~_

G mas~astroom van het gas in kg/m 2 .s

h warmteov~rdrachtscoëff. van bed n~ar bu~s in w~n 2

.

0 e 6

k warmtegeleidbaarneidscoëff.van gas b~ bedtemp. in W/m.oe

r

= dJnamische viscositeit in kg/m.s

fG=

dichtHeid van liet gas in kg/m3

fs=

dichtheid van de deeltjes in kg/m3

ad b) Voor de gekozen

3"

p~pen van RVS is de

warmteoverdri.tcnts-coêfficiënt ongeveer 18.000 w'/m2.oe (lit.

Ie

)

ad c) De overdrachtscoëff.tvan een wand aan kokend water,is

volgens Perry (lit! 20 ) _{6.000 tot}

₇

_.oco

_~1/m2._oe

(27)

[

:

f

:

r

:

n

Voor de /:,enoemde j" pijpen leveren deze berekeningen een tota.le overdrachtscoëff.

2

Hieruit volgt dat het koelende oppervlak moet zijn 110 m en 91

voor de eerste resp. de tw ede reaktor.

De

3"

pijpen hebben een specifiek oppervlö.k van 0,258

m

2

/m.

2

m

Voor de eerste reaktor resulteert dit in 190 pijpen met een len6te van 2,25 m en voor de tweede reaktor 220 pijpen met een len6'te van 1 ,60 m.

Drukval over de reqktoren

Deze drukval 'flord t gegeven door de formule

p

waarin TI = de bedhoogte

Voor de eerste reaktor volgt hieruit 0,1 atm. dru~val over het bed.

Bij 0,55 atm. dru~val over de zeefplaat is de totale drukval

ongeveer 0,7 atm.

Dus de druk in de rea~tor R

3

is 1,7 ata.

De drukval over he t bed in de reaktor R 8 wordt berekend op

°

& _.a tm en bij een zelfde zeefplaat als in R 3 wordt de totale drl~vul over

R 8 dus 0,6 atm.

Dus de druk in de reaktor R8 is 1,0 ata.

Con s truc tj, e van de reak toren

De koelpijpen staan verticaal in het bed opgesteld.

Vanwege het corrosieve karakter van het reaktie mengsel moeten alle ond~rdelen Van Qe apparatuur die er mee in kontakt komen

van roestvast staal vervaardigd zijn.

Dus de koe1l;ijpen en minstens de binnenkan t van de reaktor zijn uitgevoerd in RVS.

(28)

- - - -

-L

[

~

L

Fornuis 0 7

r:

De voeding van de reaktoren wordt in 0 7 voor verwarmd tot de reaktie-temperatuur.

L

Het fornuis wordt gestuokt met het afgas van toren T 15,dat,

naast het niet gereageerde propeen, een grote hoeveelheid

kool-r:

monoxide bev~t (stroomno. 37).

r

~

J ~

Di tafgas moet

6ekompre~d

worden tot 3 à

4

ata.

Volledige verbranding van het a.fe?;as met 1C

'/0

lucnt overmaat en 1 1 I \ / ' ;r

L

JV

//:

v ('

200

°c

schoorsteen temperatuur,levert 818 kcal/s.

C • • -'1;

r

./

~'

--'J

Het opwarmen van de voeding vereist 1135 kcal/s •

Als het propeen van de voeding propa~n bevat, dan komt dit propaan

r .

I

onveranderd in het afgas van T 15 terecht.

De gebruikte katalysator wordt niet beïnvloed door prop~an.

i

[ .

Vijf procent propaan in het propeen doet de warmte opbrengst van

de verbr_nding van het af~as stijgen tot 1232 kcal/s.

r

:

Mocht het propeen te weinig of geen propaan bevatten,dan zal

r~

aan het voegd mOafgas een hoeveelheid van Gten worden,b.v. aa~dgas. een ander stook~~s

toege-r

Het voordeel van !let verbrandé;n Vé.<.n .het afgas is, dat

n

a) de verbrandingswarmte ben~t wordt

n

b) het giftige CO omgezet wordt in CO2

c) sporen van acryl en/of azijnzuur in Ilet afgas niet in het

n

milieu geloosu worden,maar omgezet worden in

Cf

2 en H20 Het result~at i:3 dus een "schone" fa.briek.

n

~

(29)

L

r

[1

n

r

l J - - -- - -

--

- -- -

-W~rmtewis~eláars H 11 en H 12

In deze armtewisselCiars worden de produktgassen vo.n de reaktoren gekoeld van 397 oe tot 120 °e,terw~l aan de andere kant het

ketel voedingswa ter wordt voorverwar-md van 20 oe tot 121 oe. Op deze manier hoeft er in de torens

T

14 en

T

15 minder warmte

afgevoerd te worden,zodat de warmtewisselaar H 13 kleiner

uitgevoerd kan worden.

Bovendien wordt de warmte van de produktgassen niet helemaal getoosd via liet koelwater, maar gebruikt voor het voor verwarmen

van het ketelvoedingswater,iets wat toch moet gebeuren.

Het benodigde oppervlak A wordt berekend met de volgende formule:

waarin

0

w overgedragen warmte in W

à T = logarithmisch temper~tuur verschil

k

=

totale warmte-overdrachtscoëff.

over.

F correctiefo.ctor voor temp.verschil,afhankel~k

van het type wisselaar

( ) -1

=

(h )-1 koverall g + waarin h w h, g

warmtegeleidbao.rheid van de wand Van de p~pen

ongeveer 20.000

w

jm

2•

o

e

overdracht van de wand aan het water

2500 "I/:m2n . oe lnc u. 1 Sle verVUl . f . 1 lnb ' van d e wan d

overdracht van het gas aan de wand

berekend met hg 0,027

*

ReO,8

*

PrO,33

*

~

,

wa""rin Re reynolds getal

Pr prand tI t,'e tal

À warmtegeleidbac.l.rneid Véi.n het gas

D diameter Van een p~p

J.

(30)

-

-l

l

~

L

r

L

1 ~

f

-r

r

f'

L J

[1

n

i

1 n

n

II

r

Voor een warmtewisselaa~ met een haarspeldbundel is F ;

0,85

(lit. 2\ ) .

Met een bundelleng te van 1,5 m ,282 pijpen van 1" doorsnee en een mantel van

0,65

m diameter z~n de resultaten:

H

11 H 12 k overall 176 167 67 1601 .103

65

terw~l het geïnstalleerde oppervlak van de hierboven genoemde wisselaar 70 m2 bedraagt.

Evewliel heeft een soor·tgel~ke wisselaar met een man tel van 0,6 m

2

diameter maar een geïllstalleerd op~ervlak van

58

m ,dus een te geringe capaciteit.

Du.arom wordt lie boven de tabel bescn.ceven wisselaar ( 0,65 m

II

zowel voor li 11 als voor li 12 gebruikt.

De ~~pen en andere delen die in cont~;t ~omen met het gas

moeten gemaakt worden van roestvast staal;voor de mantel waardoor het lia ter stroomt is "carbon steel" voldoende.

(31)

l.

f

:

r:

r

.

fl

[1

n

fi

--- - -

-

-Warmtewisselaar H 13

In deze wé.i.rmtewisselaar wordt het vloeibare produkt uit de torens

T 14 en T 15 gekoeld van 50°C tot 25°C.

H te l Koe water wor I dt opgewarm d van 20°C tot 40oC.

Het afgekoelde produktmengsel,dat bestaé.i.t uit acrjlzuur,azijn-zuur en water,wordt weer bven in de torens ingevoerd als koel-en absorbtie-vloeistof.

Het benodigde oppervlak voor de uitwisseling kan berekend worden uitgaande van:

warmtestroom

0

w =

2416

kW

warmte overdrachtscoëff. K

overêill lou. gemiddeld temp. verschil ~T

u g'em

met de formule:

d - k :1f= II T :1f A

~w - overall ~em

2

het benodigde uitwisselende oppervlak A is dan

265

m

(lit.

20 )

Voor 1 inch p~pen wordt dit een warmtewisselaé.i.r met vier passes en 142 p~pen per pass van

6

m lengte.

De ptpen en pupplaten,deksels en verdeelkamers,waarmee het produktmenssel in aanraking komt moeten uitsevoerd worden in roestvast staal.

De koelwater mantel kan gema""kt worden van gewoon "ca.rbon steel".

De snelheid van het produktmen6sel in de buizen is ongeveer

0,4

mis.

Hieruit volgt een Re = 18 :1f 10

3

Deze wddrde sarandeert een goede overdracnt in de p~pen.

Onder de boven genoemde umstandigheden is de benodigde hoeveelheid

(32)

L r '

r'

L • [ ,

1 r

'

l,

!

'

r' I [

r

'

r

'

1 ,

r 1 l J r 1

: I

L J

~

1

~

n

r

[ ,

I'

_l l,

,

J"

" _''J~I.J' _{) r} , ./

J' (

Ir);"

l

J-' ('

,-

'"

~~ J.f

V

Torens T 14 en T 15

Ui t de mentS'sel s, die ui t de reak toren R 3> en R

8

komen, worden

het acryl- en het az~nzuur te samen verw~derd in de torens T 14

resp. T 15.

Deze scheiding wordt doorgevoerd door het in de warmtewisselaars

H 11 en H 12 gekoelde produktmen5sel te wassen met het geconden-seerde en gekoelde (H I)) mengsel van water,acryl- en az~n-zuur,

dat uit de torens afgetapt wordt.

Dit wassen gebeurt in tegenstroom in de gepakte kolommen (torens) T 14 en T 15.

In de meeste bestaande en ontvlOrpen fabrieken wordt het wassen op deze manier ui tgevoerd

(li

t.I'1,\b)17)J~.

Als het acrjl en het azUn-zuur zich ideaal zouden gedragen, dan

kan berekend worden dat deze zuren niet condenseren onder de omstandigheden die neersen in de torens.

Slechts een sterke afwijKing va.n de ideali tei t van het termüre men0el van zuren en water kan verklaren dat deze condensatie toch plaatsvindt.

Het produktgas,dat uit de reaktoren komt,is verzadigd met stoom,

dus er ka.n niet geKoeld worden door verdampen van water.

Het afscheià..en van de zuren komt dus nel3r op koelen met een

medium en in direkt k~ntakt daarmee,gevolgd door oplossen van de zuren in het medium.

TUdens het koelen condenseert uitera~rd de stoom.

Het medium is het mengsel dat onderuit de torens afgetapt wordt,

zoals al vermeld is.

o Uitgaande stromen hebben een temperatuur van

50 c.

De vloeistof,die de torens in gaat,is gekoeld tot

25 °c

in H (m.b.v. koelwater)

(33)

r • I r . I

r'

l , r 1 l ) r 1 : ' L i

n

l J

n

( J

[:

r'

l

Pakkint;; van de kololilrnen

-De torens zDn gepakt met ~II Rascnigringen met een specifief op-pervlak van 2C s~.ft/cu.ft

Voor d~ warmte overdracht in een gepakte kolom geldt volgens Tre,yball (li t. 2.2 )

c

_p

_*

G

1 ,195

*

[ d", :JE L - 0,45 25,1

*

Q

rL

Waarin d~ indices

L

en

G

aan6even dat de grootheid betrokken is op de vloeistof resp. de gasf~se.

en h warmte overdrachtscoëff. in Btu/sq.ft/oF

C

soortelDke warmte in Btu/lb.oF p

G = massastroomdichtheid van het gas in lb/h.ft2

L vloeistof in lb/h.ft2

viscositeit in lb/h.ft

k warllltege.leidbaa.rheid in Btu/h!sq.ft/( OF/ft) porositeit van de pak~ing

diameter van een bol met oppervlak gel~k aan dat van een c8nheid van de pakKing in ft

Pr ge tal van pl'an tI

Diameter van d~ kolomm0n

De gegevens voor fluvding en loading van de pd..\.king zDn on tIeend

Ol

(34)

L , 1 _

[

-L

r • I

l.

[

:

r ' 1 ! ' i I • r ., 1 J r 1 I I , L J

~

1 rl

_{l )}

n

I l •

I

_I

aan Perry

(li

t.

20 ).

Voor T

14

is de belasting 26,~ k~/s vloeistof en

3,53

kg/s ~as.

'1

Voor T

15

z~n deze 6etallen

10,1

resp.

4,56.

}

~

(0'J

~eivvL

'J,

[.-1

.

, ~A)-t"1

In beide gevallen voldoet een kolom met een diameter Véin 20".

Het benodigde pakking-oppervlak

-Met de al eerder gee;even waarden van de condensatiewarmtes en van

de soortel~ke warmtes werd de over te dragen warmte berekend,

als de vloeistof de kolom in gaat met een temperatuur van

25

oe en er uit komt op

50

oe.

In T

14

wordt

428

kcal/s en in T

15 163

kcal/s over gedragen.

B~ een 1050.ri trllnisch gewiu.dcld temperatlAur verschil

ln

11

T =

4é), 4

in beide kOl.OillWen en een overall overdrach tscoëff.

k 11

=

1930

w/m2•oe voor T

14

en k 11

=

2180

wjm2.oe

overa overa

voor T

15

werden de oppervlakten berekend.

De pakkine; in T

14

moet

20,)

m2 oppervlak hebben en die van T

15

2

6,7

m •

Voor de g~geven pakkin6 en de hierboven berekende diam0ters

worden de h00gtes van de kolommem 1,7 m en 0,7 m.

(35)

I I I l •

...

I

f

.

r '

l '

[

:

n

l ,

n

r

- ---

-

-- -Destillatiekolom T 19

In de l i tera tuur ( Ld, '1 ) wordt een methode gegeven om

mengsel S van a-.:rJlzuur,azijnzu.ur en wa ter te scheiden in 99,8

%

zuiver acrjlzuur enerz~ds en een mengsel van het water en het

az~nzuur anderzijds, direk t dOOI' destillá. ti e.

Deze methode kan alleen dá.n toegepast worden als het eerst

genoemde meni5sel meer dan 30 à 40

%

acrylzu.ur bevat.

Omdat er geen gegevens beschikbaar z~n van het ternaire systeem

dat nierboven genoemd is,moest het ontwerp van deze kolom

gebé:iseerd woràen op de patent gegevens (lit.B)2~ ).

Vergroting van de kolom met uls kri terium een gelijk blijvende

gé:issnelneid,i5af een kolomdiameter van 7,2 m.

De kolom moet v~fent~intig schotels bevatten en dat resulteert

bij een schotel afsté:ind van twee voet (li t. 'I? ) in 16,5 m

De voeding wordt ingevoerd op de v~ftiende ~chotel.

De schotels z~n beladen met een mengsel Vá.n dibutylether,

i-ropaé:in ethuan ester,ethjl-methyl-acrylaé1t en ethJl-acr,ylaat

en/or heptaan.

Met deze kolom is _{een extraktieve verwiJderin5} van het water,

voordat acryl- en azijnzuur gescheiden worden niet nodig.

De kolom bevat in totaal

2,53

*

10

3

kg van het ester/heptaan mengsel.

Het bodempl'odukt is Si9,8

%

zui.er acrylzuur en het topprodukt

is 26,2 jó aZljnZUUr in water.

De schotels in de kolom worden uiLgevoerd in roestvast staal,

de kolomwund is Vé:in carbon steel met een inwendige bekleding

(36)

i

r:

[

.

[l

n

Omdat geen verdere gegevens bekend zUn over reflux en reboiler verhoudingen kunnen de onderdelem V 21 , H 20 en H 22 niet berekend worden.

(37)

r . I I l ~

r

r:

(

1 n

n

-

- - - -_._-_ . _ -Pomp P 10

Door deze pomp ~ordt het Ketelvoedingsw~ter onder

28

ata druk in de stoomketel V

5

gebracht.

Het theoretische vermo6en van d~ze pomp wordt berekend met

P th = fj P

~

rfv

wa~rin p 27

~

105 Dus P th = 20,) bi 2

Nim

(li t.

2\

)

Het tot~le r~ndement van een pomp van deze órootte is ongeveer

n _\tot

=

0 ,

8

Zodat het ware vermogen

P

dat toegevoerd mo~t worden aan de pomp

w

wo .. dt P _{w -}-

p i n

_th _\tot 25,6 KW

Pomp P 6

Omdat het niet zeker is dat de natuurl~ke circulatie een

voldoend grote koelwater stroom(door de warmtewissela~rs in de reaktoren)zal geven,is deze pomp gernstalleerd.

De natuurl~ke circulatie wordt namelijk bepaald door onder

andere de dimensies van de pijpen en de plaa. tsing van de stoomketel

v

5

ten opzichte van de warmtewisselaars H

4

en H

9.

:Bij e.n má.ximaal drukverschil van

4

ata en een koelwaterstroom van 75,30 kg/s wOI'dt het ware vermogen dat door de pomp P 6

(38)

[l

n

c

n

~

!.

Vat V 16

Vat V 16 is een buffervat.

Zodoende hebben fluctuaties in de stromen,die uit de kolommen

T

14 en

T

15 komen,geen invloed op de stroom die de

destilleatie-kolom in gaat.

Bovendien is de toevoer van Koelvloeistof naar de kolommen

ge-waarboI'e',"d.

Bij het opstarten is dit vat 5'8vuld met water en als de concentraties van de zuren het 50ed8 niveau bereiKt uebben,dan pus wordt Je

destillatiekolom ingescnakeld. Pomp P

17

Deze pomp 5~eft de vloeistof,die weer boven in de toerens T 14 en

'

r

15 68 bruch t moe t worden, vol do ende druk.

Ook het drukv~rschil over de filters

F

18 wordt door deze pomp overbruGd.

Het vermOben van deze pomp wOldt berekend als b~ P 10,nu is

en

Fil ters F 18

Katalysatorstof dat meegevoerd wordt uit de reaktoren,wordt in deze filters afgevan6en.

Hierdoor wordt voorkomen dat dit stof uiteindelUk in het bodemprodukt van de descillatiekolom terecht komt.

Van de è:l.anb85'even twee filter eenheden is er steeds ~én in

geb~uiK zodat de andere scnoon ~dmè.1._Kt ~an worden,zonder dat h8t

(39)

l

~

l .

r:

[

~

r

n

[l

n

Het stoomsysteem

In de ~armtewissel~ars H

4

en H

9

in de reactoren R 3 resp. R

8

wordt stoom gemaakt.

Vanuit de stoomketel V 5 wordt het water door de circul~tiepomp

p 6 na~r de beide warmtewisselaars H 4 en H

9

geperst.

Uit H 4 en H 9 komt een water-stoom mengsel terug in

V

5.

De hoeveelheid water in V 5 wordt aangevuld door water dat

P

10 op pompt.

Het voedingswater wordt in de warmtewisselaars H 1~ en H 12 voor-verwarmd.

Om vervuiling van het stoomsysteem tegen te gaan wordt uit de ketel V 5 gespuid.

De hoeveelheid die gespuid wordt komt overeen met 1% van de voedings

-stroom.

Voeding: ~ kg/s water van 20°C

m

H~0=36,0

Btu/lb

~ kg/s 225°e 26,0 G

Uitvoer: 0,99 stoom van en ata H

225=1204 ,4 Btu/lb

m

0,01 ~ kg/s water van 225°e en 26,0 ata

~25=419,0

_Btu/lb m Toegevoerde warmte Q Q(H11) + Q(H12) + ~(H4) + Q(H9) Q 20565 kJ/s

~m

t

0,99(H~~5-~0)

+ 0,01

(~2S-H:é)1

*

e(Btu/lb+J/s)

r

_m

* (

1160,4

*

0,556

*

4,19

*

103 ) 20565 7,61 kg/s

Dus 0,08 kg/s w~ter gespuid 7,53 kg/s stoom geprouuc8erd

Temper~tuur v~n het voedingsw~ter na H 11 en H 12 ~ .e ._m AT = Q(H11) + Q(H12)

p

Q

J.

(40)

L

I

[~

L

r

o

n

38 De temperdtuurstij.:;ingAT = 105 oe

Dus na de wi.lrmtewi sselaars is de voedingswater-tempera tuur 125 oe.

De verdeling van~ stromen a) over H 11 en H 12

door H 1 1 gaat

_"TI44

17 4.3

_*

_7,61 .3,96 kg/s

door H 12 gaat 1601 _J344

_*

_7,61 .3,65 kg/s

di t kon.t neer op :;2% resp. 48% van de totale voedingswater stroom. b) over H

4

en H

9

door H

4

gaa t

~j~~1

*

100 = 54,7

10

van de totdlekoelwater stroom, dus door H 9 gadt 45,3

%

van de totale stroom.

(41)

-lJ---[

,

[

:

r

-[

~

,

L

I

:

r ' l .

II

~

n

r:

- - - _ . _ - ---, .. ..,..>

VII

Massa- en warmtebalans.

Eni~e onmerkin~en bi~

de

massabalans.

a.

Alle

va

sstromen

in

het

proces

zijn uitgedrukt in mol/s

(dit

zi~n

de

stromen met de

nummers:

1,2,~,4,5,

6,

7,

8,

9,

10, 24,

25, 26,

27,

31 , 33, 34,

j7)

b.

Alle

vloeistofstromen zijn uitgedrukt in kg/se

(dit zijn de nrocesstromen: 35,

~6,

38,

39,

40, 41, 42,

4~,

44, 45, 46 .

.

en

de

gas

-

en vlneistofstromen van

het

stoomsysteem:ll,

12, 13, 14, 15, IA, 17, 18, Iq,

21,

22,

2~,

29,

~O,

32)

Enkele opmerkingen

bij de

~armtebalans.

a.

Bi~

de enthalpie

berekenin~en

is uitgegaan van de vol

g

ende

standaardenth81pi~n:

stikstof

(g)

bi~ ?OoC

en 1 ata

0 zuurstof

(

g

)

@

kooldioxide

Cg)

propeen

(p;)

water (1)

o

b.