Melkzuurfabriek d.m.v. superkritische extraktie met kooldioxide

•

•

•

•

•

•

•

•

_,~f;'? ~}f, .'i". •

T

U

Delft

Faculteit der ScheikuTldige Technologie en der Materiaalkunde :

.

Technische Universiteit Delft

r""""'!'...,""""""~...---,...,...,...,========= .. --- - - _. .-

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Melkzuurfabriek

d .m. v. superkritische extraktie met kooldioxide

Auteurs: H.M. Mommers H.C. Ijselendoorn FVO-no: 3022

Datum: 29 april 1993 Plaats: Delft

•

•

Inhoudsopgave pagina Samenvatting

•

Hl Inleiding

H2 Uitgangspunten voor het ontwerp

exogene gegevens 1

endogene gegevens 2

•

H3 Beschrijving van het proces 2

H4 Proceskondities 3

H5 Motivering en berekening van apparaten 5

•

H6 Massa- en warmtebalans 11

H7 Apparaat specificaties

a destillatietoren Dl 19

b destillatietoren 02 20

c extraktor Al 21

•

d fermentoren, ionenwisselaars en buffervat 22

e warmtewisselaar 23 f compressor 24 H8 Kosten 25

•

H9 Conclusies 32 Literatuu roverzicht 33

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Bijlagen: 2 Aspen uitdraaien a extraktie en opwerkingssectie b sterilizers PSIE resultaten a model b plot 1 c plot 2 3 Procesflowdiagram 4 Voorbeeldberekeningen a extraktoren m.b.v Mercury b dimensies pakking extraktoren

c warmtewisselaar HEl 5 Resultaten berekeningen Dl 6 Resultaten berekeningen 02 7 Chemiekaarten a azijzuur b barnsteenzuur c kooldioxide d LD-melkzuur e mierezuur f natronloog g zoutzuur 8 Dichtheid CO2 m.b.v. RRgraph

9 Viscositeit melkzuur oplossingen

10 Verdelingscoefficiënt CO2/water algemeen

11 Flux ultrafiltratie

12 Evenwichten m.b.v. Mercury

a calciumlactaat + CO2 b natriumlactaat + CO₂

c Natriumlactaat + CO2 + HCI

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Samenvatting

De melkzuurfabriek bestaat uit een fermentatie-, extraktie- en opwerkingssectie. De fermentatie wordt continu bedreven met een celrecycle systeem. De extraktie van de produktstroom van de fermentatiesectie geschiedt met superkritisch kooldioxide in gepakte kolommen. Van het extrakt wordt het CO2 na destillatie teruggevoerd naar de extraktiesectie. De

resterende waterige stroom wordt d.m.v. destillatie gesplitst in een azijnzuur/mierezuur- en een melkzuur/barnsteenzuuroplossing. Van deze laatste stroom wordt het barnsteenzuur via een

ionenwisselaar verwijderd. Het resultaat is een zuivere 80 gew. % melkzuur oplossing. De

capaciteit bedraagt 20846 ton per jaar op melkzuur basis. Het rendement van de fabriek is 98.6 % De Return on Investment bedraagt 4.8% en de Internal rate of return 20.7%

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

H 1 Inleiding

Melkzuur (2-hydroxypropaanzuur) en melkzure zouten worden in de voedingsmiddelen en farmaceutische industrie gebruikt om de smaak en houdbaarheid te verbeteren. De esters van melkzuur worden in lakken, gewasbeschermingsmiddelen en diverse geneesmiddelen verwerkt. In de toekomst wil men ook bioafbreekbare plastics van deze stof fabriceren. Hierdoor wordt de benodigde capaciteit vele malen groter. Tot op heden is er voor het geproduceerde gips een voldoende grote vraag. Een uitbreiding van de capaciteit levert echter een overschot aan gips op.

De melkzuur produktie vindt in het algemeen plaats d.m.V. een batch gewijze fermentatie uit glucose, maltose, lactose of sucrose gevolgd door een continue opzuivering. Voor de fermen-tatie wordt meestal de homofermenfermen-tatieve melkzuur bacterie Lactobacil/us delbrueckii gebruikt.

Omdat het ongedissocieerde zuur inhibiteert, is het noodzakelijk loog toe te voegen. Hiervoor wordt calciumcarbonaat gebruikt wat later in het proces in gips wordt omgezet. Om deze gipsproduktie te vermijden wordt naar andere manieren van zuuronttrekking gezocht. In dit fabrieksvoorontwerp hebben wij de extraktie van melkzuur uit water met superkritisch kooldioxide gebruikt als methode om de zuurconcentratie in de fermentor constant te houden.

In samenwerking met PURAC is de opzet van dit ontwerp gedefiniëerd. Als uitgangspunt voor dit ontwerp is een jaarproduktie van 20.000 ton genomen.

H2 Uitganspunten voor het ontwerp

Exogene gegevens

-De uitgangskapaciteit van de fabriek is 20.000 ton per jaar op melkzuur basis. -De fermentatietijd wordt op 8000 uur per jaar gesteld.

-Voor het water voor de fermentatie kan leidingwater worden genomen. Voor de koeling van de condensor van destillatiekolom Dl is zoutwater nodig. Voor het overige koelwater kan eventueel rivierwater gebruikt worden.

-Het gebruikte medium bestaat uit de onderstaande stoffen.

Tabel 2.1 Medium samenstelling

I

I

(gil)

I

(NH4)S04 0.5 MgS04 0.3 KH2P04 0.2 K2HP04 0.2 gistextrakt 10

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-Als voeding voor de bacterie wordt glucose gebruikt. De voedingsstroom bevat 200 gil glucose

-De pH in de fermentor wordt met NaOH geregeld op 6.

-Voor de aanzuring na het ultrafilter wordt HCI gebruikt

-Het CO2 wordt op hoge druk (20 bar) aangevoerd.

Endogene gegevens

Enkele fysische constanten van de gebruikte stoffen staan in de onderstaande tabel. Andere benodigde fysische constanten zijn uit Angus [11 (dichtheden CO2 afgelezen en

geinterpoleerd m.b.v. RRgraph bijlage 8), Holten [201 (viscositeiten bijlage 9 en evenwichtconstanten) en uit het Handbook [14] verkregen.

Verdere specificaties staan vermeld in bijlage 10 en de kopiën uit chemiekaarten [10).

Tabel 2.2 Enkele fysische constanten van de meest gebruikte stoffen Tb (OC) Tm (OC) P (kg/m3 ) Mw (gimol) Melkzuur 190 53 1200 90.0 I<ooldioxide (gas) -79 -79 1.5 44.0 Azijnzuur (85%) 103 -15 1100 60.1 Mierezuur 101 8 1200 46.0 Barnsteenzuur 235 188 1600 118.1 Zoutzuur (36%) 110 -- 1200 36.5 Natronloog -- 8 133 40.0

H3 Beschrijving van het proces

Het proces bestaat uit drie delen. Er is een fermentatie deel, een extraktie- en een opwerkinggedeelte. In bijlage 3 is het procesflowdiagram te vinden. Het fermentatiedeel is in PSIE gesimuleerd, het extraktie- en opwerkingsgedeelte in Aspen. De resultaten van PSIE en Aspen staan resp. in bijlage 2 en 1

De fermentatie wordt uitgevoerd als een continueproces met een looptijd van 1000 uur [24). Hierbij wordt naast melkzuur ook kleine hoeveelheden azijnzuur, mierezuur en barnsteenzuur gevormd. De inoculumfermentor wordt batchgewijs bedreven. Hiermee wordt de hoofdfermentor geënt. Deze fermentor heeft een celrecycle. Hierdoor kan een hogere cel concentratie in de fermentor worden bereikt waardoor het volume beperkt kan blijven [15,25). Om een cel vrije permeaatstroom te krijgen wordt een ultrafilter gebruikt. Het permeaat wordt opgevangen in een buffervat. Dit waarborgt een continue procesgang na deze sectie.

•

•

•

•

•

•

Uit het buffervat wordt een constante stroom aangezuurd met zoutzuur in mixer 1. Hierbij wordt natrium lactaat omgezet in melkzuur en natriumchloride. Van uit de mixer wordt de stroom op een druk van 122 bar en 40 0 C gebracht. Deze stroom wordt nu in 5 tegenstrooms

extraktiekolommen in contact gebracht met superkritisch CO_{2 •} Hierin worden alle zuren en een deel van het water opgelost. Bij de simulatie van de extraktie is de invloed van het zout

verwaarloosd. De zure waterstroom, die zout (ca 0.7 M), wat CO2 en zeer kleine hoeveelheden

melkzuur en barnsteenzuur bevat, wordt bij voorkeur geloosd in de zee. Deze stroom bedraagt

wel ca. 273 kton/jaar.

Bij de verwerking van de CO2 produktstromen van de extraktoren is de opzet van Moses,

Chum, DeFillipi en Ramchandran [11,16,28,34,351 gevolgd. Deze stromen worden na samenvoeging verwarmd in een warmtewisselaar om na de decompressie vaste stof vorming te voorkomen. De decompressie vindt plaats tot 60 bar d.m.v. een smoorklep. Deze stroom van 60 bar wordt in de hoge druk destillatie gesplitst in een zuivere CO2 en een waterige produktstroom.

Het CO2 wordt in een compressor weer op 122 bar gebracht. Deze warme stroom verwarmt de

uitgaande CO2 stroom van de extraktoren. Hierna wordt hij aangevuld met verse CO2 , op

temperatuur gebracht en teruggevoerd naar de extraktoren.

De waterige produktstroom van de eerste destillatie wordt door een hydraulische turbine op 1 bar gebracht en vervolgens de tweede destillatietoren ingevoerd. Deze destillatie scheidt water azijnzuur en mierezuur af. De bodemstroom bevat melkzuur en een fractie barnsteenzuur. Deze laatste stof wordt in een ionenwisselaar verwijderd. Hierna resteert een 80 % w/w melkzuur oplossing.

H4 proceskondities

Thermodynamica

Als thermomodel is de Redlich-I< wong-Aspen equation of state gekozen. Dit model, Sysop6 in Aspen, is geschikt voor superkritisch CO₂ in combinatie met polaire stoffen zoals water en de verschillende zuren. Nadeel van deze optieset is dat de dichtheden niet juist worden uitgerekend. Dit komt omdat er 1 toestandsvergelijking voor de gas- en vloeistoffases gebruikt wordt. Vooral de dichtheid van de vloeistoffase die ver van het kritisch punt is, vertoont een grote fout. Dit heeft echter geen gevolgen voor de berekening van vloeistof/damp evenwichten volgens Dhr. V.d. Kooij. Voor de dimensionering van apparatuur waarbij een vloeistofdichtheid nodig is zijn de stromen apart ingevoerd en met het model: Sysop8a Wilson-Redlich-Kwong de dichtheden uitgerekend.

Evenwichten

In het ideale geval zou bij de extraktie de aanzuring van lactaat met CO₂ voldoende moeten zijn. Voor de berekening van de evenwichten is de druk invloed op de activiteits-coefficiënten en evenwichtsconstanten [2,7,26,381 meegenomen. Bij natriumlactaat ontstaat in dit geval ongeveer 13 procent melkzuur. Deze hoeveelheid leidt tot een irreëel grote kolom en hoeveelheid CO2 .

I

r

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Om het evenwicht af te laten lopen kan calciumlactaat als uitgangsstof worden genomen.

Hierbij slaat bij aanzuring calciumcarbonaat neer. Dit heeft tot gevolg dat nu 50 % melkzuur wordt gevormd. Het probleem is hierbij dat bij de extraktie weer calciumcarbonaat in de kolommen wordt gevormd wat tot verstoppingen leidt. Als alternatief kunnen mixer-settlers

worden gebruikt maar deze moeten dan een zeer groot oppervlak hebben.

Er is daarna gekozen voor een aanzuring met HCI. Hiervoor zijn equimolaire hoeveelheden nodig. Dit heeft tot gevolg dat alle lactaat in melkzuur wordt omgezet, waarna de extraktie beter verloopt. De resultaten van de berekeningen van bovenstaande evenwichten staan in bijlage 12.

Voor de extraktie zijn geen verdelingscoefficiënten bekent. Aspen berekent een K-waarde van 0.4 tot 0.55 in de extraktiekolommen. Hierbij is de CO₂-stroom op massa basis ongeveer 3 maal zo groot als de waterige stroom. Deze waarden komen ongeveer overeen met de resultaten van Lahiere met het vergelijkbare systeem isopropanol/water/C02 [21,22).

Kinetiek

Het kinetiek model van Luedekking en Piret [23) wordt gecombineerd met de substraat en product inhibitie volgens Gonçalves [18) en de pH afhankelijkheid van jJ volgens [6,43). Dit levert geen waarden die vergelijkbaar zijn met de statische waarden die PURAC vindt. Daarom is als uitgangspunt de produktie van 6 g/g/h van Purac genomen. Met deze waarde is het opstarten en de steady state doorgerekend (bijlage 2).

De productie van bijprodukten is niet gesimuleerd. Hier zijn nl. geen gegevens over. Er is aangenomen dat per kilo melkzuur 10 g bijproducten wordt geproduceerd. Daarvan zijn de fracties mierezuur 0.25, azijnzuur 0.25 en barnsteenzuur 0.50. Dit zijn weer statische waarden van Purac. Overige reacties zoals polymerisatie en ontleding van melkzuur zijn niet meegenomen in de berekeningen

Druk

Voor de extraktie is een optimale druk van 122 bar genomen. Dit omdat in Aspen niet over hogere drukken gesimuleerd kon worden. De drukinvloed is echter niet zo groot. De K-waarde varieert 1 % per bar.

Bij de eerste destillatie moet de druk lager zijn dan de kritische druk van CO2 maar zo

hoog mogelijk om niet te grote energieverliezen te krijgen bij de recompressie van CO2 • Tevens

moet de zuiverheid van het CO2 100 % zijn om weer een goede extraktie te krijgen. De optimale druk blijkt in de orde van 55 tot 65 bar te liggen [39J. In deze fabriek is voor een werkdruk van

60 bar gekozen omdat hierbij de temperaturen en samenstellingen van de uitgaande stromen het meest geschikt waren.

Voor de tweede destillatie is 1 bar als werkdruk gekozen. Hierbij verloopt de scheiding goed en zijn de temperaturen niet te hoog.

•

•

•

•

•

•

Temperatuur

Voor sterilisatie worden de voedingsstromen, exclusief de natronloog stromen, van de fermentoren in een continue sterilisator verhit tot 100

oe

met een verblijf tijd van 20 min. De temperatuur in de fermentor moet voor een optimale groei 45

oe

zijn. Voor de extraktie is een optimale temperatuur van 40

oe

gevonden. De K-waarde is sterk afhankelijk van de temperatuur.

H5 Motivering

Veiligheid

Aangezien er in de fabriek met zeer hoge drukken wordt gewerkt moeten er speciale veiligheidseisen van toepassing zijn. Op de verschillende kolommen en torens moeten goede drukbeveiligingen geinstalleerd worden om overbelasting te voorkomen.

Corrosie

Alle onderdelen van de fabriek moeten vanwege het corrosieve karakter van de produktstromen uit gevoerd worden in AISI 316L staal. Alleen de e02 recycle en de koelwaterstromen kunnen in normaal 316 RVS worden uitgevoerd.

Vestigingsplaats

De fabriek moet bij voorkeur op een plaats aan zout water gevestigd worden, omdat er een grootte zout bevattende afvalstroom is.

Buffervat BV1

In dit vat wordt de permeaatstroom uit de fermentor opgevangen. Om een continue bedrijfsgang in de CO₂ sectie te garanderen moet dit vat voldoende groot zijn. Er is uitgegaan van een voorraad voor 8 uur. Dit is voldoende om kleine storingen op te kunnen vangen. Het vat wordt dan 8/2 "36.4 = 150 m3 _{groot hierbij is wel rekening gehouden dat één fermentor altijd}

werkt.

Compressor C 1

De compressor is nodig om de CO2 stroom uit de destillatie toren weer op 122 bar te

brengen. Om de benodigde druk te verkrijgen is een multistage centrifugal compressor nodig met 17 stages [1 21

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Continue sterilisator CS

Deze bestaat uit een warmtewisselaar en een heater. De ingaande waterstroom wordt in de warmtewisselaar van 104 m2 op gewarmd tot 75

oe.

Hierna verder verhit tot 100

oe

in de heater. Deze heeft een vermogen van 995 kW en een warmtewisselendoppervlak van 16.2 m2•

De heater wordt verwarmd met 0.5 kg/s verzadigde stoom van 3.4 bar en 138

oe.

Het water heeft een verblijf tijd van 20 minuten in een geisoleerd systeem. Vervolgens wordt deze stroom tot 45

oe

gekoeld in de warmtewisselaar.

Destill atietoren Dl

Deze destillatietoren heeft als functie CO2 te scheiden van de overige stoffen. De CO2

stroom moet 100 % zuiver zijn om de I(-waarden in de extraktiekolommen optimaal te houden. Dit sluit de mogelijkheid van een flasher uit, omdat deze niet de gewenste zuiverheid levert.

De dimensionering van de destillatietoren is volgens de methode van Olujié (30)

uitgevoerd. Een voorbeeld berekening is in bijlage 5 te vinden. De toren is gesimuleerd met een theoretisch aantal schotels van 10 en een refluxratio van 0.05. Dit is het minimale aantal waarbij een voledige scheiding wordt bereikt. In werkelijkheid zijn dit 12 schotels met de voeding op schotel 9. De Hoogte van de toren wordt 11.1 m waarbij de onder en boven diameter resp. 0.9

en 3 m bedragen. Dit grote verschil in diameter wordt veroorzaakt door de verhouding tussen CO2

en produktstroom.

De condensor van deze destillatie toren wordt met zout water gekoeld. Dit is nodig omdat de top temperatuur onder de 40

°

C ligt. De koelwaterstroom bedraagt 81 kg/s op basis van isotherme condensatie. Het oppervlak is geschat op 1152 m2•

De reboiler wordt verhit met 58.6 bar verzadigde stoom van 274

oe.

Het stoom debiet bedraagt 7.8 kg/s. Hierbij is isotherme condensatie en verdamping aangenomen. Het oppervlak van de reboiler is 311 m2

•

Oestillatietoren 02

In deze toren wordt de produktstroom gescheiden in een melkzuuroplossing van 80 %

w/w en een waterige stroom die mierezuur en azijnzuur bevat. Deze destillatietoren is op dezelfde wijze doorgerekend als Dl. Het theoretisch aantal trappen is 20 met een refluxratio van 1. Het werkelijke aantal trappen is 21. De hoogte van de toren wordt 15 m met een diameter van 1 m. Deze berekeningen staan in bijlage 6. De condensor wordt gekoeld met 1 9.6 kg/s water. Het oppervlak is 18.6 m2

• De reboiler wordt verhit met 3.4 bar verzadigde stoom van 138

oe.

Het debiet hiervan is 1.0 kg/s. Het oppervlak van de reboiler is 57 m2

.

Extraktoren A 1 t/m A5

Uit de metingen van de Haan (19) blijkt dat voor superkritische extraktie gepakte kolommmen het best blijken te werken. Als pakking wordt Sulzer BX gauze gebruikt. Dit is dezelfde als in dit werk wordt genoemd. De dimensies van de pakking staan in bijlage 4.

I

r

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Voor de berekening van de grootte van de extraktiekolommen is het massaoverdrachtsmodel dat in dit werk wordt afgeleid gebruikt. De uitkomsten komen overeen met de resultaten van Lahiere voor water isopropanol systemen [21,221. Omdat naar de floodingcondities in superkritische extraktiekolommen nog geen research is gedaan hebben wij de kolommen gedimensioneerd met dezelfde vloeistof en gassnelheden welke bij het onderzoek van de Haan zijn gebruikt. In tabel 5.1 staan voor de 5 extraktiekolommen de berekende hoogtes uitgezet. In bijlage 4 staat een voorbeeldberekening m.b.v. Mercury. Deze configuratie van 5 extraktoren in serie levert een extraktie rendement van 99.5 procent.

Tabel 5.1 Berekende hoogte van de extraktiekolommen bij een diameter van 3.3 meter.

kolom # 1 2 3 4 5

trappen # 3 5 6 7 6

Hoogte m 1.6 2.6 3.2 3.7 3.2

Fermentor CF' en CF2

Voor de produktie is gekozen voor twee fermentoren zodat bij het opnieuw opstarten de produktie niet stil valt. Als wordt uit gegaan van 8 'batches' van 1000 uur moeten de beide fermentoren een effectief volume van 20 m3 _{hebben om de gewenste produktie te halen. Normaal}

is het volume van de fermentoren veel groter. Door de aanwezigheid van een celrecycle systeem kan per volume eenheid een veel hogere produktie behaald worden [4,8,13,15,17,25,29,36,40,41 J. Voor de diameter van de fermentor is de hoogte van het vloeistofniveau genomen. Dit levert een diameter van 3 m op. De fermentor gecombineert met het ultrafilter is als één unit gesimuleerd in PSIE. Hierbij is het resultaat van beide fermentoren als 1 fermentor met een 2 maal zo groot volume gesimuleerd. De resultaten van deze simulatie staan in bijlage 2. Hieraan zijn de bijprodukten toegevoegd zoals in het stukje kinetiek is aangenomen. Deze resultaten zijn in Aspen ingevoerd om de rest van de fabriek door te rekenen.

De viscositeit van het fermentatie medium ligt bij een celconcentratie van' 1 gil rond de 2.5 cp. Dit maakt het gebruik van een flat, six blade turbine roerder mogelijk. Het voordeel van deze roerder is dat het menggedrag goed bekend is. Deze roerder wordt gecombineert met 4 keerschotten in de fermentor met een breedte b = (1/1 0) * 0 = 0.3 m. Op de roeras zijn twee roerders aanwezig. De diameter van de roerder is d = (1/3) * D = 1 m. De roerbladen hebben een breedte van (1/4) +d = 0.25 m en een hoogte van (1/5) *d = 0.2 m. De onderste roerder bevindt zich (1/3)*D= 1 m van de bodem, de bovenste (2/3)*D= 1.5 m. Het roervermogen voor een goede menging is normaliter in de orde van 1 kW/m·3 _{[371. Voor het roervermogen van één} roerder geldt in het geval van een Newtonse vloeistof de volgende relatie:

(5.1)

Hierin is P het vermogen, Np het dÎmensieloze krachtnummer in dit geval 6 [31 en N het toerental. Voor elke fermentor met een volume van 20 m3 en met 2 roerders wordt het roervermogen 2 *20*1 = 40 kW. Dit is per roerder 20 kW waarmee het toerental 1.5 s" wordt.

'

J

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Voor de geproduceerde warmte in de fermentor wordt de reactiewarmte van de reactie glucose tot melkzuur genomen. Deze warmte bedraagt 69 kj/mol glucose. Per uur wordt 2644

kg melkzuur per uur geproduceerd. Hier is 2820 kg glucose nodig. Dit komt overeen met 15.67

kmol/uur en dus 1081 MJ/uur ofwel 300 kW. Dit komt neer op 150 kW per fermentor.

Om de fermentor te steriliseren wordt stoom ingespoten. Om de temperatuur langere tijd op 100 °C te houden moet de wand geisoleerd worden. Dit houdt in dat de reactie- en roerwarmte niet via de wand kan worden afgevoerd. Ook via het ultrafilter wordt weinig warmte afgevoerd omdat in deze unit door wrijving en pompen ook warmte wordt geproduceert. In elke fermentor moet dan ook een koelspiraal worden aangebracht. Voor de warmteflux geldt:

(5.2)

Hierin is U de totale warmteoverdrachtscoefficiënt en t:" Tin het logarithmischtemperatuursverschil, Dit temperatuurverschil wordt volgens de volgende formule berekend:

(5.3)

Voor U is de waarde van 850 W"m·2_{"K·' genomen. Dit is de standaardwaarde voor een}

water/rvs/water systeem. Tkyoo • en Tkn • van het koelwater zijn resp. 20 en 40 °C. De temperatuur van het medium Tm is 45 0 C. t:" Tin wordt hiermee 1 2.4 0 C. De totale warmteflux Q = 150 + 40 =

190 kW. Met deze waarden wordt het oppervlak van de koelspiraal A = 18.0 m2

• De benodigde koelwaterflux volgt uit:

(5.4)

Hierin is Fkoel de koelwaterflux en Cp de warmtecapaciteit van het koelwater hier

4.18 kJ"kg" "K·'. Hiermee wordt de koelwaterflux 2.3 kg/s ofwel 8.3 m3/h. Als voor de koelwatersnelheid 2 mIs wordt genomen moet de inwendige buisdiameter 3.8 cm bedragen. De lengte van de spiraal is dan 1= 150.8 m, hierbij is voor de omtrek van de buis de inwendige diameter gebruikt. Bij deze lengte maakt de spiraal 16 toeren langs de fermentor wand.

Inoculumfermentor IF 1

In deze fermentor worden de enten voor de hoofdfermentoren opgekweekt. Per batch is een maal in de 1000 uur een ent nodig zodat per ent 500 uur beschikbaar is. Dit is voldoende om tot de gewenste celconcentratie van 1 g/I te komen. Bij een volume van 2 m3 _{levert dit de}

gewenste startconcentratie in de hoofdfermentoren van 0.1 g/1.

•

•

•

•

•

•

Koelers 1 t/m 3

Alle koelers worden gevoed met water van 20 °C. In tabel 5.2 staan de resultaten voor de drie koelers.

Tabel 5.2 Resultaten koelers

1<1 K2 K3

Tk.u;t (OCI 38 38 40

debiet (kg/sI 3.9 86.8 5.3

oppervlak (m₂) 27 492 11

Mixers M 1 t/m M3

De mixers 1, 2 en 3 zijn inline mixers. Er is gekozen voor T-stukken i.p.v. injectie of andere opties omdat de viscositeiten van alle stromen lager dan 50 cp is. Dit is de eenvoudigste en goedkoopste optie die mogelijk is.

Ultrafilter UF1

Er is voor een ultrafilter gekozen omdat dit minder vervuilt dan een microfilter [33]. Het ultrafilter moet een permeaatstroom van 18.2 m3_{/h per fermentor doorlaten. Uit het verslag van}

Qing [33) blijkt dat bij een celconcentratie van 11 g/I een flux van 50 l"m·2_{"h·' bereikt wordt als} over het membraan een drukverschil van 3 bar en een cross-flow snelheid van 4 mis gehandhaafd wordt (bijlage 11). Het bestaat uit een M8 buisvormig keramisch membraan met een inwendige diameter van 6 mmo het is opgebouwd uit een koolstofbasis met een zirconiumoxide laagje en heeft een cut off van 50000 Dalton. Als het membraan 10 % oversized wordt voor terugspoel mogelijkheden wordt een oppervlak van 400 m2 _{per fermentor berekend. De precieze configuratie}

van de 118 modules van 3.4 m2 _{is niet bepaald.} Warmtewisselaar HE1

Deze warmtewisselaar koelt de CO2 stroom naar de extraktoren en verwarmt de CO2

stroom uit de extraktoren. De totale warmteoverdrachtscoefficiënt is op 850 W"m·2_{-K·' gesteld.}

Dit is een schatting omdat voor superkritische fases geen data gevonden konden worden. Met deze waarde berekent Aspen een benodigd oppervlak van 1662 m2_{. De dimensionering is}

uitgevoerd volgens de methode van Kern [12]. Om een acceptabele drukval te krijgen zijn 4 units met tubes van 5 m lang, met een inwendige diameter van 20 en een uitwendige diameter van 25 mmo De voorbeeld berekening van deze warmtewisselaar staat in bijlage 4.

•

•

•

•

lonen wisselaar 11

Voor de verwijdering van het barnsteenzuur is gekozen voor een ionenwisselaar omdat deze veel minder energie verbruikt dan een destillatie kolom. Om regeneratie mogelijk te maken worden twee kolommen parallel geplaatst. Als hars wordt Amberlite IRA 400 in de chloor vorm gekozen (5). De geadsorbeerde zuren worden m.b.v. natronloog in oplossing gebracht. De hars wordt hierna geregenereerd met een zoutzuur oplossing. Voor het volume van de kolommen is 10m3 _{genomen op aanraden van de firma PURAC. Aangenomen is dat de porositeit van de} pakking 0.5 is. In elke kolom is dus 5 m3 _{hars aanwezig.}

•

_•

_...

•

_.

_.

•

--- - --- - - . _ -/\pparaa tstroorn

M

Q

+

Componenten

1\

__ .~tQr ~,'~81

_

...

_

~

.oolcL,ol(\ck.

__ ..

~J.v

o

~~-, _ _ M • • I ~ _. __

~~b2W

l,1J _ I I

B

·I0 -~

..

___

m~_

'j8-

lo·-1

....

_.

lli."

h~

?-lJJJY._ ~,,~. 10-1 .~ -_. - - --. - ._._-- _{- --}

-Totaal : _{lO. I~1 -ISS'9°}

Apparna lstroom M

Q

+

Componenten

\b

W~I( _.-.~-_.- .\O,O,S

o

\11

vd~·

-

k

. , QKic.; _ _ _ _ I

-. ______

ffie11.

LLWv

-.

Q2vrj/_Uuv

\

_

__

._

..

fl1.Q.~:.2 '2.w.lv

.

.

-C

_

o

,

v n

S;hah

-z.~..L --_ ..

__

.

-_

... _ .. _- ---Totaal : M in kg/s Q in kW

0,)30

_ Op01..

10

,

1."10

-\GfJL.(O,

•

•

_•

•

•

M

Q

M Q M

Q

M

Q

\1-

\1

\ L-I

15

082.t

,ü-zoz..

_"'

_D

_-::'0

_z.

,020L

o

.lJ'3

.

0,7

73

0,7>3

8'

-~ ."'\ 1 ~ 'lQ)

1 O

·

10'>

III

'

Iu-)

_, 1 _{'~ . -I} 118 -J 1

0

\0') ) Ü \0 IQ _I

<I

,\()1

-]J .

10-") i ..,

1'1

-

IO-J { _I

0,82/ '-13lqj

IO,9

W

2.

-lb8'3.qo

IU.qU2 --iGQIIO _{IU,q L/2} -ibOl(lU

M Q

M

Q

M

Q

M

Q

\7

IQ

_'9

·

?..Û

q

.

8Ltb

q

,(Eq

o-S2G

9,]~(-I

J,ctJ&

I '

optJb

0\ 100 OWQ0

o

JIJ

o

\]1-

o

_QU~ OOOLt I I !

o rol

--+-I

10,0°9

-\63

L

,Ou

Cf

/)31 '-\ScjI]O

_g,bLW

-\C;]ûSO

_9,L

_I)O

-1~Û~i

_9J I

•

i3

•

•

Apparaa tstroom

M

, Componenten

Vfl.:Jlll _zs/-:.G

LJolQv

. __

~\o:1.cl'0J(\<..b.

'S,J

,'"7 ~,., ,:').)~ ___

~

'"Z..u'uv

._..

G

L~",LU,.{,J:/ rn\~ -_. ---

--.

3f',vJ,:,~t&n

~WJ'f

_

-_0- ___ __ __ _ , . . -.... -.

Totaal :

Apparaats"'troom

, Componenten

.. _

_

Wu.A&v

\;\ooL~~

____

_

.

'fQ.Ql1

L.U JA:(

C\~~

. ---_. - _.

.. _ .

ffi.\e

[Q::'UUi . 'GC6VVY':>~})?.LV.ÀV .--0.- ____ - ... -

---_._-Totaal:

M in kg/ s Q in kW ~...,

..,

...,"

~,s') M

'

3

\

OY;'J--~'?>JY' ---=-~

°lOo~

'

s3

I Cj)' <....

•

Q

,

-joS/J60

Q

-J

olV--,o

•

•

•

•

. .

-

.

M Q M Q M Q

M

Q

~l

""2tj

_'

_'2

_·

₉

_SO

0]00

°IDÛ olb~ O~I~

'~312tl

'

"33333

-,~ _{) ~ ,} 3~' _{)2 "'3;:1,") ~3}

°71

3

,.

o

?ol

,

OOC})

I ou':; I 1

',Q

ló j !

{y

·[0=3 I \ ~. lO,l I

0 ,

/9

8

-~°Cft90

--S3,,'21.

-'1Cf:'j L( 00

'23,

S

9

()

~1()\J1so

'13,

S"'2.0

. ")0

7(;}

II () M Q M Q M Q M Q

']

"

2

_{'~3 '3l!}

_'\

_S

o,&h.S

o

_,

f92.S

O();:,-;

_,

_<?ths

_'

I

\L6,SLI \GbSLI

IGG

sc

l

_lbCSLI

~W

O,l~() _

o

Î~é)

_ó'1'

W

',&

iO-)

', G

.

\O'-J

\

,G

\0-:) ".

D

\0' -'1

\ f) 10'1

',a,

_\o'J

\;:Y

IO-~

)

13 Kt>

~ SlO;!

_J

S'

\er

J

']

S

\0.

1 ]Ç '10-1

')

I

LO

.

\l

,jo

,-l9.{r~oo 118.\L1O -ISZ.

b

10u

\

6b

~](1

-IC; ~61O()

iG6

c;;~ -1~G."'-u:)

•

w

•

.

'

•

Apparaa tstroom

M Q

, Componenten

,-?,/~

__

lJo.JQV

\;

,t!

_

è2l~liCM

ic.k

\

CG

Sll r

-..

\

'Q.gj1

'l.

u.uv-___

Q-z...~ ~Î--:-~l-t.t.,\Y .. _ )"{\ i.e.. \(Q..! U.UV"

._

\3

_

<?-v_n

s

'tzg h

<.

w.,LV' . -- ----_._----~ -

-Tota

a

l :

_I

GG,SLi

-1

9:050)

A

pp

a

r

a

a tst

r

oor

n

M Q

, Componenten

_Lli

. __ .,,-~(~g( O,02LI

,

0

\Q;>L<iiOX iel

_ûp"3~

'.' _,1lli.11.;:'W.li

O'J!

_ln~h ""lUMV - " ...I , -J _

__

W

,

Jo

-

J

- .. -

f11

i..e,VQ èu.uv \~o...V~<;~~3Y-u,L _, _'-...-,.----')S lo-J -- .-... _-.. - ._ .. __ .•.. _..

--Totaal :

M

in

kg

/

s

Q in kW

iJ::)

-\l

G

1

S

•

•

•

•

'

.

M

Q M Q M Q M Q

·Îl

-)

·

]8

'3c;

l

/

o

: I

_I

lb6sL

I

₁

_Ul:

_b)

~~l-, O,IZ7 j - - - - I I I

IL0,SLI -ISI7

Goo

°Y/_I

·-1,

b

_J

10G

,

G)

-ISIU700

d:L

,

G)

-iS2S~W

M

Q M Q M Q M Q

LI

2.

L

IJ

LtL

f

LIS

~~L

I

o

I

L

i

3

OISZ

o

,

ï-;

~ 00"" _()IO]~

~'é~-J

OW" _{\ Y}

o

i""'i

'-1

'

°

i

J~~

\

~

'

g:?

. l

,'18

1

0-"1

,

\ Q io

-

J

.-:....

~

IQ) I '~s

_,

\0-")

1

S

10

-

'

I

-i(b

_-

_\}

81

9

°

,

1

1.

1

-gJSq

0,88

-,8s,

ü8S

)

-éjo

-

r

3

Stroom/Componenten

s

t

a

a

t

•

...c

•

•

•

Apparaa tstroom

M

,

Componenten

Lt6

---

~\Qï

o \

S-::>

~ool(LoXic~

.

__

.

_

. _

_

tG..cl1.

LUlIt O:;2.LI ._._g<.~\"Il.U.u.v' _ _ ... rr1.i.Q){Q

-z.u.uv

_

_

_ .~avn'")~1u.uL . _. -_ .. -' .. ---~-

-Totaal :

Apparaa tstroorn

,

Componenten

_ ' 0"_'_'_ ' _ .. --- - -_ ..

_

--

_

..

_

-- ----._-- --"- --,

--Totaal

M in kg/ s Q in kW ._ - - _ .

Q

,

fh6

M - '.'-- -- --_.

•

•

Q

M

Q

M

Q M Q

M

Q _ . '1 I I

.-8bW5

_{----_.}

__ . . . . Q M

Q

M Q M Q M Q

stroom/Componenten staat

•

•

•

•

•

n

VCO(

waai

\-ç

M

a

\0) 1'2.,

-\ ss.

_19°

~a'L

- l'S.

Iqf

\o.qll -\b8.~'lo

+1.7-

5

10,

Cf

U -\b~. \\0

rs,9

- Dlqc(G

10(

q4

-168.40

I \0, LI

<9

-lb3.4E;)o

•

Massa in kg/s

Warmte

ln

kW

\Qcl_OUy

l

M

_G0

Gij

\lORÓ~ 6Î)\.J.CL

_11h

-. 1'2 ~di'l'\C\ -@.-. --... -,~

P1

...

_

il.L ____

~ ~~lt{

~1

k~kv

~,~

_-6'7°

0

-

-

-@

--

--

~

4

- -

-AI

L..

1

@

3J,33

-Joso6o

GfJ

-

-

--_

...

-~~ _,

Al

.

»,"33

I

@

I -"305:)60 1

Totaal

_~

\S

Fabrieksvoorontwerp

No:

'30."-•

•

•

•

,

•

•

•

\D,oq _{- r-}

Q)--·~.l30 4 ...

_,

A3

t..I h

_@.

'33.33 -"305060

E/33

_.

_{---_:{}

@>

- \9,;eLlo ~

A4

~

I@

·

~3,33

-3

Cf:::Db

0

C(lbLt

_.

_-

_-

_®

.-Ic;)oSQ

_,

~5

loL

Cj.W7

-I~SO

,

~

<?9>

~

_-'3QSo60 ?3,33

f,

r

-...

I ..

\lh.

~ , I ,;:

~

~

~

Totaal

_~

Massa in kgf s

Warmte In kW

Fabrieksvoorontwerp

No:

:k>~

•

•

•

•

•

•

•

Gb,8

-(?'7~_aoo

0,\<..,

-t\6

_t

\b8

1₄ -ISLlT200

~sb81

810

'-\~971Q

I

7,8

-\0'2,97.0

•

Massa in kg/s

Warmte in kW

r

_{I'-:" _ _}

Giî\3>

_{__}

_{\bb 6]}

I .A -IS2S]oO

U~

l,..od~1l \;.o~wk ..

_abS

-ITf~2?:.7

""

,

..

~ . - -~- - -_. i

66,b,

-ISIGlOo CO'-voa":é.L; Y\ Q ....

®

...

_ffl]

I

bb,

S'1

.~

-

@-_

.

.

--@----j

- '.'Silboo

f-\-\E1

""" ~

.1"-..®_---

\ 6b

/;l.j

- \ Scx::F-PO

'"

_"

ei

All

--@---

\ b6

SLI -1.506:200

t.,-'oJv.htu ..

V.oa1~110

₍₉₁₀

_-\f-8]7

IS

...

I

D

_{1 S~OOI'r\}

,

... Ç.~ooV'r"\ ...

7,8

-\ 1

Sf-i)

..

-+

J.

@

,A~ ...

@

@)

. ' . _,

Totaal

•

Fa brie ksvooron

t

werp

•

•

•

•

•

\ GS.ll-1

- \')-lliIOQ

\68

14 - \ 5"2.6.1 00

\,b

-\IS

\6

1,6

-IJG,-Cf

\q/,)

-s\l~aO , ' \0 \

-\1:Lr;\

oas

--iBsl

s,)

_-S

_{4.'"2.. S ")}

o,8B

- cS'lOj'3

~\6,LJ+

~~Lt

IS'3Cû

~

Massa

in

kg/s

Warmte

in

kW

'

0

.. - -.. . -'-.Aa.

~

-~\ft

---(9

4

+-'3,1

r

HT

₁

--

@

-,

-1]59

-

°·7'2-~\:eI

..

Ûz

VoJwatw ..

\ '1J)

-J.o=(f'

,JroWl ~ S~OOrn ..,

\0

_I -lSSoG

.

--

@. _._.

,Ir ~oJw'cÁtw.

\,{3

LoJ.vwk~

₅₃

_.

-840J)

-

..

_I - -

-~IY

_,,.

@

..

_~6.,öJ

-"2.8

~

'I' ,

(Ç~

_•

_o,S8

- CYOLl5

'"

Totaal

•

tt..lD,

Lri

~L\\SL69

Fa brieksvoorontwerp

No:

?o.22..

•

•

•

•

•

Technische Universiteit Delft

Vakgroev Chemische Procestechnologie

Fabrieksvooront~ern Ne: Datum : Ontworpen cioe:- : ïORENSPEClï-lKATIE3LAD

---I\pparêaCnUlTlI'Iler "01. FabrieKsnummer .è,LCE~!'iE ::lCE~SCHAPPEN : FUnKtlé ... ... . Type tore~ .. .. . . . Type schotel ... . Aantë.:' schotels .... .. . Aantë.i. schotels ... . Schotelafscan~ ! ~E!S üiamete: :o:-e; ... . Materiêêl tore~ ... . Verwarming ... ... .. .

*

.

....

'

...

8Q~~k- ! schotel / 5~reeier / ... ... ~

kleièjc zeefplaa: / 'o'a1'/c ,I . . . . • . . . • . • • ~

theoretisch \0

praktisc~ \1.

.O,~. :-:-. en q LIS lI'\

..

3.

.

:-:-.

e:n

0'1

~

fil

<;:[ ~\bL

Materië.ë.~ schotel

Hoogt e tere:'. ....

~ i o!,!ePt SEBBm / reboiler /

\ \

rn

*

BEDRIJFSKONDITIES 'I

t---;----~----;---r----:----I

Voeàing Extraktie

I

;

I

Temperatuur...

oe

DruK ... ... " bar D· lcntllelC . . '. ... kg / 3 Ti: Massas:roo:-:-... 'r:g/s I \

6B

\

I Samensceüing 1 :'. : mol

..

resp . _~ H"t,O

\

.

'l..

_{_.-----}1 - - - -I- ~'3.S

<M.

_'18·6

\00 \.bl ~~UJ.U' 07.. \\..\.1

- - - '

._-

_. __

._-~-_ ... _. -a.1.u,~ '2LW.( n - - -- - - H -

-

1~.:~

I \ lYIi.Q..(Q:lu..u.r

.

f--.-_.- _., ,---f-- --.... --1--'" \ 'co(nçY~"W.t1 ; I ONTWER? : . l ' . . /

**

Aantal kOKJes I zeer gaten . . . :

Ak:ie! schoteloppervlak . . . . Lengte overloopranà . . . .

Diamete:- valpijp i gat / . . . .

Veraere gegevens OD schets vermelcien

*_ooorstr. _{enen ~êt niet van coenass:~; -~ .}

0.05

I

: I ! Type pakkinb.··· 2 m Materiaal pakking mm Afmetingen pakking mm miàdel/ ... \ I

I

\

~Yinäien een toren schotels van verschillenci ontwerp beva:, èit vermelàer.:

\~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Technische Universiteit Delft

Vakgroeu Chemische Procestechnologie

Fabrieksvoorontwerp No: Datur:: : Ontworpen àoor : TORENSPECIï-lKATlE3LAD !\pparaat:1umrner

'01..

Fabrieksnummer 102"2.. ALGEME~r: ::lGE:lSCHAPPEN

Funkti" ... ... àestillatie / axtraktie / .CSO"-iH1e /

...

" "

_*

Type (oren .. ... .... ... ge~dl,: / _{schotel / sproeier /}

...

*

Type sc~otel ... ... klokje zee!plaa: / ~ I

*

/

Aan:a~ :sc~o:els ... , theoretisch

_LO

Aantal schotels ... . praktisc~

_2\

Scnotela:':s:ar:c / ::E!S O,~5. I ..

Diamete: :o:-e~ ... . . .. ;t. ...

Materiaal. torer:

...

:

I-TtSI

'S\6L

Ver~arrr.in; ... : g.e.e.n i ooetl. stOOQ

BEDRIJFSKONDITIES :

.

I

Voeàing Top Temperatuur ...

Oe

_\0\

_.

₅

\

o

\.

S

Druk ... bar \ l Dichtheid .... ... kg/m 3

l·

_b

0,61 ~assas:roor:: ... k g./ s

\. b

_I

O·l

I , Samensc.elling 1 :-. mol ~ resp. ~-: "

\-\<.0

l~h

.

L:.,

_~i-=-(L ... .

_

.

-C02

\.h,

<'~'3 'f'\l.Ql.l2lUlf

~1

"

-

_--- 0.\

CA

.'

_OD8 ~A.lU ... -

-'fYIiOW/1I111

o.ol

_

.

_- 0 ·\.0

kn~t)"lliII:

O.ot;

-,

ONTWERP :

Aantai klokjes I zeeigaten / . . . .'~'*: Ak::iei schot.eloppervlak ... . . . Lengte overlooprand . . . . Diameter valpij? / gat / . . . . Vercere gegevens op schets vermelcie~

*_aoOrstreDen . _{~at niet van c.oepass:~~ :s.}

,

_....

_..

_.

' " ... Materiaal schotel

PTT.

Hoogte :c:-e:--. ....

\5

/ reboiler /

...

\ Boàem Re f l u x / a-e-s.e-r-p-üe mi:~l f

\

00.

S

«Q.~

"

I

\080

I

0'9

SLob

_

. U.~·16 O.J~

.

6J

'

:

~

t

0.\8

I

_{I I} Type pakkinb··· 2 m Materiaal pakking mm Afmetingen pakking mm

I

*

\ \

I

'1

Extraktie \ miààel/ .. '1

", ... inàien een toren schot.els van verschillenci ont'Werû beva::. àit vermelàen!

"2...Q

\

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Technische Universiteit Delft

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Fabrleksvooront~er~ No: Datum : Ont~oq)en aoor : TORENSPECIFlKATl~ELAD IIpparöaénummer 111. Fabrieksnummer ALGEME~E ~lGE~SCHAPPEN ;

Funiu:l:: . . . . èestillaÜe / extrakcie / ~'O-~~

/

...

~ Type toren ... .... . gepakt ! s~hGtel / s?;oe~er / . . . ~ Type sc~otel ... . klokje 1 zeefplaa: I valve ! .... ... .. .. ~

, , Aant.;.~ schotels ... . Aantal schotels ... . Diöme~e:- ~ore~ ... . MateriaGi. toren

.

.

....

; theore~isch prakcisch OIC;~ .. ,

'33

1 ".

Pr1.515\bL

\

Materia.;.~

schote:!.

I

Hoogte :c!'e~

.

...

\ _l'Yl

I

Ver~ar;ning . . . ; _{geen / ~m /} FeiH~i:~el' I

...

BEDRIJFSKONDITIES

I

Voeàing

I

in Top

u.~~

I

Boàem

i~

Ltd:

I

Refluxl absorp-tie middel

I

Temperatuur ...

°c

LlO Lq lto 41

Druk . . . bar

n .

.2 \~

n ...

~ \'2...~ Dichtheid ... kg/m J _~71

₇

LlS

7

L1O (t;)~ !1assastrooï.: ... kg/s I i 10'94

-n.8ol~:3]

\ö.LtB Samens te 1 j, ir.g 1:'. mol " -esf". ge .... :

\-\1.0

I

C1

JJ.1 ·o{3:.

~

'1-3~7

. t --' -~'." -- ---_.

COL

q'f{J \Oc,

_1,oG

\~\Q1Lnuu( _..

_°

_l

_~l

... _1 I ..

\b

__ ._

-

_.... , ... -.

_-

_>2:1

Q~fi~ _{"-_._- - --}

-::t~:

-

:--

l

~

m·~(Q.1J,.IUx' - --,' .. -.. -_ . _ _ 0-__ - .. kVI'I~al'\1U.u( I , . I I I ONTWERP ;

*

Extraküe

I

middel/ ... \ \

Aantal klokjes / zeeigaten I . . . 10.

**

: Type pakkinb" ....

;

S

LJ.l.~.d3'i

~C

UI.~

\

2

_;

_~TSI

']\b

L

\

Aktief scho~eloppervlak . . . : m Materiaal pakking

Lengte over looprand . . . : mro AÎme~ingen pakking ; ~\Q..

Diameter valpijp _I gat /

...

...

: mm Veroere gegevens o~ schets vermelden

", .. indien een toren schotels van verschillend ont'Werp beva:. dit vermelden~

"'l. \

•

Apparatenlijst voor reaktoren, kolommen, vaten

---•

Apparaat No:

_10-1.

Cf1

~

'2

_~'\

~'L

_8Vi

Benaming, ~O(vlu."", COYl ~\ V'\Lte..-

jo

Y!Q,\I\ <...J. \ Sc.Jc.oI)

hu.

~

~xvo.k

type

~

_V"

_\'Y\QX\

_\-0

_V"

_fV"

_(n.Qv\

_~

_O("

•

:I( Abs.ef eff.

i

1

1

1

druk in bar temp. o oe

LIS

L\ C;

_'1S

_~S ln

•

Inhoud in m3

_1-

?O

\0 \SO Diam. in m

₁

_,3,

3 I

5.8

3

_\~'7

s,E:)

1 of h in m

_\,3

1

•

Vulling: ;(

•

schotels-aant.

vaste pakking

no.f$ :

katalysator- AW\bu~~

Jfc...

type l..\oo C.SI'I-·;;)

•

-

,

,

- vorm

·

...

·

...

·

...

•

_{Speciaal te}

ge-0r1S1

"]\bL

PrN

3\bL

FfI~ )\b

L

filSI.

~\6L

b::."uiken ::lat. aantal

1

_'-

₁

i.

se!'~e/:pa!'allel

•

•

•

ft aangeven wat bedoeld wordt

-

e

•

e

•

•

•

•

•

•

•

e

•

~echnische _{Universiteit Delft}

\;_{akgroep Chemische Procestechnologie}

Fabrieksvooront~erp _No:

Datum : . . . . .

Ont~orpen _{door : . .}

\"iAR1'lTEVlISSELAARSPECIFIKATIEBLAD

---Apparaatnummer : HE.1.. _Aantal

_{. . .}

_{serie/parallel *}

ALGEI1ENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie

.

.

. ·

.

.

.

.

_:

\XOcluWr

C~

vJo,'f YY\Qk\

~~ck~

\.Ao~

Type

. . ·

.

. .

.

_{: ~armte~isselaar*} ~r

~gAQeA6gr

'Jeràampel:"

Uitvoering

.

_·

. .

. .

_{: met vaste pijpplaten*} floating head

1:taa l' S ~ e:l: Q

è-I:!bèel:e l3!:j P

~*a~eftwaEm~ewi5Seteer

Pos itie

.

.

.

.

.

.

.

_{: horizontaal/~e~~ikaaL~} Kapacitei t

.

. .

.

.

.

. · · · ·

·

·

·

· .

.

·

·

.tl\QO.

_·

.kW (berekend) Warmte~isselend _oppervlak

·

\ b

~

.

2

·

· ·

·

_{· · ·}

:

_·

·

·

m (berekend) Overall~armteoverdrachtscoëfficiënt

·

f)50.

2

·

· ·

:

_·

·

.W/m K(globaal)

Logaritmisch temperatuurverschil (UITD)

_·

:

· .

~l,LJ

·

·

_·

oe

Aantal passages pijpzijde

_{· · ·}

· ·

·

·

·

:

_{· Q. .}

Aantal passages mantelzijde

_·

·

·

·

·

_·

_·

.

.

.1..

.

Korrektiefaktor LMTD (min. 0,75).

_{· · ·}

_·

:

.OrQ·

Gekorrigeerde U1TD.

_·

_·

_·

_·

·

· ·

· ·

·

:

_·

'A1,g

. · ·

·

oe BEDRIJFSKONDITIES _: Mantelzijde Pijpzijde Soort fluidum

.

_·

_{· ·}

_·

·

· ·

·

·

_·

_·

_·

_{· ·}

_·

_·

_·

_·

.

.

_·

·

C~

. .

_·

_·

.~.

Hassastroom

. ·

_·

_·

_·

·

· · ·

· ·

·

·

·

·

·

·

·

• kg/s

_·

.

\bb.'SU.

.

_{· ·}

.\~G,ll1

. * • kgf s Hassastroom te verdampen/kondenseren.

·

_·

_{· · · ·}

_·

_·

.

.

_·

_{· ·}

_·

_·

.

_·

_·

·

·

·

Gemiddelde soortelijke

°

·

~,ld'22...

YIQr:,1..

~armte

· · · · ·

_·

_·

·

.kJ/kg· e

_·

_·

_·

_·

Verdampingswarmte kj/kg

-

-·

· ·

·

·

·

·

·

· ·

·

· ·

· ·

·

·

·

. . ·

·

·

·

·

_·

_·

Temperatuur IN

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_.oe

_.~q

_L-lO

· ·

·

_·

_{· · · ·}

_·

_·

_·

_{· ·}

_·

_·

Temperatuur UIT

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

·

· · ·

·

· ·

_·

· ·

. oe

·

·

~

.

· ·

_·

9S

_{· ·}

Druk

.

_·

_{· · ·}

· · · · ·

·

_{· ·}

_·

_{· · · ·}

bar

_{· ·}

\~'2-

_.

_.

_·

_·

\:1-:2-

.

·

·

·

·

·

·

·

·

Nateriaal

_·

_·

· ·

· ·

· ·

·

·

·

_·

_·

·

·

_{· .}

.

_·

'S\b

~v5

_·

rrT<sT.l.lb~

*Doorstrepen wat niet van toepassLng 1S

.... 1Hlara "tenl i.~ s t "7oor ::omtlen. "::. ~W'ers • ~':::l:ntlres s oren

-~---•

Apparaat No:

I

L.\

I

I

Y'Y\ul\

'

,

s\~

\ I Benaming,

CQv\'~'1

uI

type CON\~Q.&Soy'

•

te

Do

toy verpompen

_C

_.

_O

L ) \'2'l'tur medium Capaciteit in I ( \ ' i

S

~ of kg/s ~ 00 I

•

Dichtheid

_ll.,\

0 ~ in kg/m"

•

ZUig-/persdruk in bar(abs.M

bo

!

\'2..1.. eU.i!()

•

temp. in

°c

bo

!Qo

in

_/

uit Vermogen in kW

SlOO

tA"g~./ prakt.

•

Speciaal "te

~e1

S\b

\<.Vç

bruiken mat aantal

ç\~~

s er i e.l :ee:;pe:;I,;t sJ.

•

•

*

aan~even ~at bedoeld ~ordt

•

•

•

•

•

•

•

•

H8 Kostenberekeningen Totale kosten

De totale kosten kunnen in een model als volgt weergegeven worden :

waarin

KA = algemene kosten

KF = fabrikagekosten

Ko = indirekte fabrikagekosten of plant overhead Kp = kosten die afhankelijk zjjn van produktievoloume K, = kosten die van de investering afhangen

KL = semi-variabele kosten, zoals loon Dit model is te vereenvoudigen tot:

(8.1 )

(8.2)

De kosten KA en 1<0 zijn dan ondergebracht in de termen 1<,' en KL' m.b.v. een verdeelsleutel. Kp is gelijk aan :

(8.3)

kp is de som van de gewogen grondstof- en hulpstofkosten per ton produkt, P is de hoeveelheid produkt in tonnen, Vi zijn de kosten per ton grondstof of hulpstof i en Qi is de hoeveelheid i, die

per ton produkt nodig is .

De investeringsgebonden kosten kunnen voorgesteld worden door een fraktie f van de investeringen, dus :

K: = fxl (8.4)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

f wordt ook wel Capital charge genoemd. De grootte van f kan nogal varieren. Volgens [27, tabel

11-121 is f voor het beste model 0.13, maar dit is exclusief rente en afschrijving. Het model van Isard, dat inclusief rente en afschrijving is, heeft een f waarde die het dichtste bij het beste model ligt. Daarom is voor dit model gekozen en de f waarde bedraagt dan 0.194.

De kosten KL' zijn de loonafhankelijke kosten, die voor een belangrijk deel gevormd worden door de loonpost. Ze kunnen voorgesteld worden als een gebroken veelvoud van de direkte produktie loonsom L, dus:

(8.5)

d volgt uit dezelfde tabel als f en is gelijk aan 1.93 volgens Isard.

Investeringsgebonden kosten KI'

De totale investeringen bestaan uit de volgende vier termen

- 1 Battery limits, Is

- 2 Investeringen in hulpapparatuur, inclusief indirecte kosten, IH

- 3 Investeringen in niet tastbare zaken, zoals licenties en knowhow, IL

-4 Het werkkapitaal, Iw

De som van Is en IH wordt wel aangeduid als fixed-capital, IF•

IF is berekend volgens de methode van Lang [27]. Deze factoren methode gaat uit van de kosten

van de geleverde apparaten (A). Door de kosten van de fundamenten, ondersteuning en montage

lopen deze op tot 1.43"A (B). De benodigde pijpleidingen zijn afhankelijk van de

aggregatietoestand van de produkten en Lang stelt de totale kosten inclusief leidingen voor gas/vloeistof op 1.6" B (C). De kosten voor elektrische installaties, hulpdiensten en voorzieningen -de oft sites- worden gevonden door de kosten C met 1.5 te vermedigvuldigen (0). Voor de in indirecte kosten (constructie, overhead, engineering enz) voert Lang weer de verschillende aggre-gratie toestanden in namelijk voor gas/vloeistof 1.38"0 (E). Voor gas/vloeistof processen wordt de Lang factor dan 4.74. De totale vaste investeringen: IF, worden dan 4.74"A.

De geleverde apparaat kosten (A) zijn bepaald m.b.v. WEBCI [421. Uitzondering vormen hierop het ultrafilter, de pomp die de druk verhoogd van 1 tot 122 bar en de compressor. Deze zijn bepaald m.b.v. Perry's [321, als dollar koers is fl ,80 genomen. De prijzen zijn gekorrigeerd voor de druk m.b.v. drukfactoren [121 . Deze bedragen :

Tabel 8.1 Drukcorrectie factoren

kolommen 60 bar 2.2

kolommen 122 bar 3.2

warmtewisselaar 122 bar 2.2

warmtewisselaars 60 bar 1.5

•

Tabel 8.2 I(osten van apparaten.

Apparaten Kosten in kf

warmtewisselaar HEl (122 bar) 2807

fermentoren 2 st. 320 inoculum fermentor 57

•

extraktoren (122 bar) 1830 pakking extraktoren 1005 01 kolom (60 bar) 343 Dl schotels 144 Dl condensor (60 bar) 1337 Dl reboiler (60 bar) 393 02 kolom 177

•

02 schotels 28 02 condensor 44 02 reboiler 81

•

ultrafilter (800 m2 ) 1411 ionenwisselaars 2 st. 320 compressor 841

pomp 1 tot 122 bar 230

•

overige pompen ca. 35 st 333

buffervat 153

koeler Kl (122 bar) 160

koeler K2 (122 bar) 1203

•

koeler 1<3 33

koelinstallatie 10 MW 750

stoom sterilizer fermentoren 163

•

I

Totale kosten

I

14163

I

27

•

•

•

•

'

.

•

•

•

•

•

•

•

Alle apparaten zijn in roestvrij staal (AISI 316U uitgevoerd, wegens de corrosieve eigenschappen van melkzuur. Voor de warmtewisselaars is gekozen voor buizen van AISI 316L staal en mantels van gewoon staal, behalve voor de condensor van Dl omdat deze gekoeld wordt met zout water. Deze wordt dus geheel uitgevoerd in AISI 316L staal. De kosten van de verschillende apparaten staan in tabel 8.2.

Het aantal pompen is geschat op 35 exclusief de pomp van 1 tot 122 bar, omdat het aantal benodigde pompen in het ultra filter systeem niet precies bekend is. Voor deze pompen zijn eentraps centrifugaalpompen genomen met een pompcapaciteit van 50 m3_{/h,opvoerhoogte}

5 mwk en een max. benodigd motorvermogen van 1.5 kW. De pompcapaciteit is hiermee aan de grote kant geschat.

De totale vaste investeringskosten komen dus uit op 4.74 .. 14163 = 67132.6 kf. Volgens [27, fig 111-1) bedragen de totale vaste investeringen 80% van de totale investeringen.

De totale investeringen bedragen dus 100/80 .. 67132.6 = 83916 kf. De investerings gebonden kosten (1<1'), inclusief rente en afschrijving, komen hiermee op 0.194 .. 83916 = 16280 kf.

Loonafhankelijke kosten Kl'

Deze kosten zijn berekend m.b.V. de Wessel relatie, waarbij geldt:

manuren = k * aantal ___ s_t_ap~p,--e_n _ _ _(8.6) tonprodukt ( capaciteit! dag)O.76

De capaciteit is hier gegeven in ton per dag en bedraagt in ons geval 20846 ton/jaar, dus 57 ton/dag. (bijlage 1). k is een constante die voor 1993 de waarde 1.3 heeft. Er zijn 3 stappen: fermentatie, extraktie en opwerking. Het aantal manuren per ton produkt wordt dan 0.18. Dit komt overeen met (0.18 .. 57 .. 3 .. 5)/24 = 7 mensen. De factor 5 is een correctie voor de aanwezigheid van ploegendienst. Een functieplaats kost 350 kf per jaar dus de loonafhankelijke kosten (Kl') komen op 7 .. 350 = 2450 kf.

Produktie volume afhankelijke kosten.

Deze kosten bestaan uit de kosten van grondstoffen en hulpstoffen. Er is sprake van de volgende grond- en hulpstoffen

-glucose - zoutzuur - natronloog - leidingwater - gistextrakt - medium zouten - kooldioxide - koelwater - stoom - electriciteit 28

•

•

•

•

•

Uit bijlage 2 volgt dat het glucose verbruik 14098 .. 200 = 2820 kg glucose per uur bedraagt. Dit komt overeen met 22557 ton per jaar. De glucose prijs is geschat op fl ,- per kg. De kosten voor glucose bedragen dus 22557 kf.

Er wordt 0.82 kg zoutzuur (lOM) per sec. verbruikt (equimolaire basis t.O.V. melkzuur). Dit bedraagt 23653 ton per jaar. De kosten bedragen 110 dollar per ton [9) ofwel f198,- per ton.

De kosten voor zoutzuur komen hiermee op 4683 kf. Het zoutzuur verbruik voor de

ionenwisselaars is verwaarloosd.

De hoeveelheid toegevoegde natronloog bedraagt 8.13 moiis. Dit is ook op equimolaire basis t.O.V. melkzuur. Dit komt overeen met 0.33 kg/s. Er wordt uitgegaan van een 50 gew. %

oplossing natronloog, zodat de totale stroom 0.65 kg/s wordt. Dit komt overeen met 18736 ton per jaar. Hiervan bedragen de kosten 315 dollar per ton [9) ofwel f567,- per ton voor een 50 gew. % oplossing. De kosten voor natronloog komen hiermee op 10623 kf. Het natronloog verbruik voor de ionenwisselaars is verwaarloosd.

Er wordt 10 .. 14098 = 140980 gram gist extract per uur toegevoegd. Dit komt overeen

met 1128 ton per jaar. De prijs voor gist extract is geschat op f7,50 per kilogram. De kosten bedragen dan 8460 kf.

De kosten van de medium zouten zijn geschat op 1 % van de kosten van glucose. De toevoer van medium zouten bedraagt maar ca. 0.6 % van de glucose toevoer. De kosten komen hiermee op 226 kf.

Volgens Air Products bedragen de kosten voor CO2 f1 ,20 per m

3 _{bij een druk van 20 bar.}

Deze prijs is opgebouwd uit fO.55 per m3

voor de CO2 en fO.65 per m

3 _{voor de huur van de}

instal-latie. Deze kosten komen neer op een kilo prijs van fO.029. Uit bijlage 1 volgt dat de CO2 stroom

0.13 kg/s bedraagt of te wel 3.7 ton per jaar. De kosten voor CO2 zijn dan 107 kf. De kosten van

de compressie van CO2 van 20 tot 122 bar zijn verwaarloosd.

De tarieven van bedrijfsmiddelen zijn bepaald m.b.v. het Webci prijzen boekje van nov. 1992 [42). De fermentor wordt gevoed met leiding water. Deze hoeveelheid is gelijk aan FO en

F 1 uit bijlage 2 minus de loog stroom . Deze hoeveelheid is gelijk aan 2.8.106 _m3 _{per jaar. De}

kosten per m3 bedragen fO.60, zodat de totale kosten uitkomen op 168 kf

De totale koelwaterstroom bedraagt 201 kilogram per sec. of te wel 5.8.106 ton per jaar. De kosten bedragen fO.075 per m3

, zodat de totale kosten 435 kf bedragen.

Het totale stoom debiet bedraagt 9.3 kilogram per sec. of 2.7.106 ton per jaar. De kosten bedragen f32.5 per ton, zodat de totale kosten voor stoom 8775 kf bedragen.

Uit bijlage 1 volgt dat de pomp voor de extraktoren, die de druk van 1 tot 112 bar verhoogt 275 kW verbruikt. De compressor blijkt 5.7 MW te verbruiken en de turbine na Dl levert 5.9 kW. Voor de overige 35 pompen is gesteld dat ze 1.5 kW verbruiken. Verder verbruiken de roerders in de fermentoren 80 kW. Dit levert een verbruik van 48.7.106 kWh per jaar op. De prijs per kWh is fO.175, zodat de electriciteitskosten op 8515 kf uitkomen.

In tabel 8.3 staat een overzicht van de produktievolume afhankelijke kosten. Hieruit volgt dat de totale produktievolume afhankelijke kosten 64549 kf bedragen.