Fabrieksvoorsontwerp van een styreen-fabriek

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

O.E. Klamer

K.A.

Wa~~ènhQven

• ~ ... _ ... ••••• ~~J •••• __ ._. _____ ._._._ ••• ••• .o . . . ~• •' • ~ • • • __ . _ • ., __ .~ __ . . . ,

onderwerp:

bereidip ~g

van

s t y r e e n

u

i

. . . - • • • • • • - . . . " • • • -, . . . .o . . . _ .

Y'

l b

e n

·Z.è

è

,n

'

d

Q 0

r

o x

7( d

..<

a

t

i

~' ~

.

"'"

...

~

...

.

...

.

....

,

...

"

...

.

...

.

, '" , 1

r o.g e

n' ~

adres:

Delft,

Roland Holstlaan

44S

Voorschoten,

Puccinidreef 10

opdrachtdatum:

november

1972

-

-u

.

, I

I

l .

r '

l.

f'

l

.

r . c ' l .

n

l

~

~l

1

l.

'1

I

I \ ,

F

A B R lEK S VOO RON T

W

E R P

v a n

e e n

S T Y REE N -

F

A

B

R lEK

door

C.E.Klamer

en

K.A.\

\

larmenhoven

Technische Hogeschool Delft

afdeling

Chemische

Technologie

opdracht ontvangen

opdracht voltooid

nov.

1972

mrt

1973

-

2

-f'

I

NH

OUD

I L _

Inleiding

Opdr

a

cht

Literatuur

Het

patent

U.S.

3.299.155

Reactorber

ek

ening

Scheiding

gas-vloeistof

Warmtehuishouding

reactie-sectie

l .

r .

l .

Methode

van berekening van de destillatie-secti

e

De eerste scheidingstoren

De tweede scheidingstoren

De derde scheidingstoren

Slotbeschouwing

,

.

Conclusie

Bijlagen.

~

1

-

overdruk van het U.S. patent

3.299.155

II

-

stabiliteitsdiagram

~

n

11

"

l

!

fl

l .

-[

:

r

:

!J

i

I .

r

1

,

1 _

( 1

Ij

lJ

n

i'

, I

-

3

-INLEIDDTG

Styreen en styreenproduktie

styreen-monomeer wordt grotendeels gebruikt

voor de

fabrikage

van

polymeren. De

vraag hiernaar

is nog steeds stijg

e

nd.

In Chern.Eng.Nel-l York

5-4-1971,

p.

56D

wordt ge

s

chat

dat de

vraag

na~r

styreen-polymeren

de

komende jaren nog

met

10

-

12

%

per jae

,

r zal

groeien. Dit

blijft·" dan

niet

eens

zo

ver

achter

bij de

groei

in de jaren 60

16

%

per jaar.

Twee-derde van

de styreen-monomeerproduktie

wordt gebruikt voor

poly-merisatie. Ook dit aandeel stijgt. De rest

wordt

ver't-Terkt in

.polye

s

ters

t

rubbers etc.

Veertig procent

van

het geproduceerde st

.

yreen-polymeer zal in de naaste

toekomst gebruikt

worden

in de verpakkingsindustrie. Op dit

g

ebied

is

een enorme

groei

door het afschaffen van karton, papier etc. voor

verpakkingsdoeleinden. Ook

gebruik

in

meubels

kan een toekomst hebben

\olegens

de

grotere

scha8

.

rste aan hout.

Er zijn verschillende technologieën voor de fabrikage

van

styreen

onder-zocht.

De

volgende hierva.n zijn de belangrijkste.

(1)

Dehydrogenatie van ethylbenzeen (EB)

(2)

O~ydatieve

omzetting van

EB

naar

~

-fe~ylethanol

via

acetofenon;

daarna dehydratatie

.

(5)

(6)

Chlorering van

EB gevolgd

door dehydrochloratie.

Chlorering van EB. hydrol.yse naar het

alcohol

t

gevolgd

door dehydratatie.

Winning

als bijprodukt

van

de pyrolyse van olie

O~ydatie

van

:SB

nae

.

r het peroxide; dit reageert met

propeen tot

0<

-fenylethanol en propeenoxide. Het alcohol

wordt gedehydrateerd.

Tegenwoordig wordt styreen vrijwel uitsluitend

gema~kt

door direkte

dehydrogenatie van ethylbenzeen. Op het ogenblik echter krijgt het laatste

proces (6) veel aandacht. De technologie is in handen van Oxirane. Een

aantrekkelijk punt van dit procédé is de gecombineerde produktie van

styreen en propeenoxide.

Voor de direkte dehydrogenatie bestaan twee processen

(1)

(2)

een adiabatisch proces van Dow Chemical

een isotherm proces van BASF

Beide processen hebben het volgende gemmen

:

endotherme reaktie

(±

136 kJ/mol

EB)

1

I I LJ r

-r

~

,

.

r'

,

I

,

,

~l

n

n

! ,

- - - -

-~

- - -

_...•

4

-.:

-

de conversie is

.:!::

40",z

er wordt

s

toom gebruikt als verwarmingsmedium

Het isotherme proces heeft een selektiviteit van

92-94

ia

.

Dat is

onge-veer

3

5b

hoger da.n het adiabatische proces bereikt. Bovendien

gebruikt

het

isother

me

proces de helft van de hoeveelheid

stoom

die het

adiabatische

proces consumeert. Daar tegenover

staat

een

grotere

kapitaal-investering

~~

bij

het isotherme proces.

nd

Volgens de Encyclopedia of Chemical Technologie van Kirk-Othmer

2

ed,

1969,

Vol

19

is de fabrica

ge

van

styreen

al zo efficiënt dat

e

de kostprijs

van benzeen

(de

grondstof

van EB) de

grootste

kostenfactor i

s

.

De technologie van de styreenfabricage heeft het

punt

bereikt,

wa~r

verdere

verbeteringen zullen resulteren in heel

geringe

voordelen.

De concurrentie in

,

de industrie is daa

,

rom gericht op het

ontw

erpen

van

kostenbesparende

kleine

verb

e

teringen.

Deze

hebben geleid tot

het

ontsta.

a

n.

v

an grote gestroomlijnde

fabrieken.

u

L

r:

r

l

r • I I .

r'

l

'! I l .

rl

, I

l ' I

~j

r~

I : I I

.

,

5

-OPDRACHT

Al enige jaren \-lordt in de literatuur melding

gemaakt

van een oxidatief

proces voor de bereiding van styreen. Het ga

a

t hier om een oxidatieve

de-hydrogenatie van ethylbenzeen met behulp van S02

Een voordeel van dit proces zou de hogere conversie per pass zijn (in

vergelijking met de directe dehydrogenatie)

Onze opdracht was te trachten een inzicht te krijgen in de opzet en

de uitvoering van een fabriek gebaseerd op dit proces.

u

r'

r '

l , , -, I

I

~ ~

[1

n 1 I I I l .'

6

-LITERATUUR

Om

meer

informatie over het hiervoor vermelde proces te verkrijgen, werd

enige

weken

een intensieve literatuur

s

tudie gema

a

kt. Hierbij

bleek dat

over dit

proces

nog

weinig

bekend is van de uitvoering op technologische

scha.al.

In

Kirk-Othmer wordt het

proce

s

genoemd als

een

mogelijkheid die

in

studi

e

is,

met

e

e

n verwijzing naar een patent van

S

hell-Oil. Via

de bibliotheek

en de indices van

de

octrooira

é1

d kregen

l'le

toegan

g

tot

meer

ge

g

evens. Deze

bleken in

hoofdza

a

k te

bestaan uit patenten die de eer

s

te stap

vormden

in

de ontwikkeling van een proces op deze basis.

Een

van de patentgeschriften was het meest uitgebreid,nr.3.299.155. De

hierin venlelde

geg

e

vens

betreffende

temperatuur,druk.conversie,kataly-sator,selectiviteit en

space

velocity hebben we voor onze berekeningen

overgenomen. Daarna

a

st

konden

we

ihzage

krijgen

in een kopie van

een artikol

-

ui t The Oil

and

Ga

s

J.ournal,

1912. Dit is

een

Amerikaans ti jdschrift

dat

in Europ

a

niet

verschijn~.

Wel wordt

een

E

uropese editie, Petroleum

and

Petrochemical International uitgegeven.

Hierin

is dit artikel niet

ver-schenen. Ret

betreffende artikel was afkomntig van

S

cientific De

s

ign,

een

Amerikaans

ingenieursbureau.

Het

beschreef zeer

summier

een ontwerp

waarin gesteld werd dat de fabricage van

~tyreen

volgens deze methode

enkele

p /

lb

goedkop

e

r was. Het onthield on

s

echter de essentiële

gege-vens om dit te controleren.

Omdat verdere informatie in de belangrijkste "engine

e

ring" tijdschriften

ontbrak hebben we on

s

moeten beperken tot

gegevens

in bovengenoemd patent

(

.

( l .

f

I

-I

r

.

I

(

.

( , I , ,

.

l .

~

1

, J

n

n

fj

n

( .'

7

-H

ET

PNPENT

US 3!.g99.155

Fen

kopie

van dit patent

vindt

men achterin dit

rapport.

De reaktieve

rge

l

i

jking

van

het proce

s

is

&

(

-

5-

l

SO

~

+

j

2.

Kort

samengevat

be

s

chrij

ft

dit

pat

e

nt h

e

t proce

s

als

volgt.

De

De

D

e

reaktorvoedin

g

bestaat uit SO?

en

EB.

_

____ __

partiaa

ls

pannin

g

en zijn

r

es

pekti

e

v

e

lijk 0.9

e

i

reaktortemp

e

r

a

t

u

ur is on

r;e

veer 550

o

C.

---=---1

De kat

aly

sator i

s

bismuthfo

s

faat.

De conver

s

ie i

s

on

g

. 90

%

De

:

k~tá-l~r8a

'

tov

is on

g

. 9

0

%

De

Gas Hourly Space

Ve

lo

city

is 1700.

0.45 atm.

(Deze GHSV is

gedefinieerd

a

l

s

Nm

3

gas

per m

3

katalysator.)

Het r

eak

t

a

nt

e

nm

engse

l w

e

rd in de b

es

chr

e

v

e

n labor

a

toriumopstelling verdund

met

helium.

HoevleI dit niet

exp

lmciet v

erme

ld

wordt.

is dit ,

..

aarschijnlijk

om polymerisatie

van gevormd

styr

e

en

zove

e

l

m

o

ge

lijk te voorkomen.

In de

direkte

dehyd

ro

gcnat

i

e

proce

ssen 1'

1Ordt voor dit

doel stoom

p,'e

brui

kt

. Ook

het ontv

l

crp van SCI

EH

TI

F

IC

DE

S

IG

N

dat in het vori

e

e hoofd

s

tuk

g

enoemd wordt ,

werkt met

stoom

al

s

verdunni

ngs

medium.

Wij zijn bij het

g

ebruik van

s

toom op moeilijkheden gestuit. Na de reaktor

moet een eer

s

te sch

e

idin

g

plaatsvinden,

fiamelij

k

de

koolwater

s

toffen van de

andere effluent-componenten.

_

Dit k

a

n alleen door konden

s

atie v?n de

kool-.l"' ... . .

water

s

toffen en nood

z

ak

e

l i jker"l1jzè ook water.

,

Ons inziens zullen

grote

ho

e

veelheden SO? en H?S

opgelost blijven in het water

en wellicht

ook

in de koolwaterstoffen.

Bovendien verliest men bij de kondensatie van de

enorme

hoeveelheden stoom

(volgen

s

SCIENTIFIC DE

S

IG

N

2 : 1 met

EB)

de kondensatiew

a

rmte.

C~~,··- »

Het water, uiteraard

sterk

verontreiniP,(i met koolwaterstoffen, moet dan

gereinigd worden en opnieuw verdampt ..

lorden

in h

et

ketelhuis.

Daarom hebben we in ons

ont

werp gekozen

voor stikstof, als analogon

op

de

helium van het p

a

tentge

s

chrift.

De gevormde H2S kan

verbrand- .~de_n

met

.

.l.Ucht tot SO?

Ook!

zwavel

kan met

lucht v

e

rbrand

wo!~en

om de hoeveelheid S02 op peil te hou

d

en. Hierdoor

ontstaat dan een

stikstofniveau

in het

G

as.

u

I

.

I l .

r

r

r

.

1 r '

r

)

r ' I I I I 1 )

n

n

r~ I l ,

de H2S en S te verbranden met lucht/02 mengsels , waarvan de samenstelling

gevarieerd

ka.n worden

op

grond

van het

stikstofgehalte

van het

gas.

De recyclin

g

en omzettin

g

van H2S is een van de grootste problemen bij

een fabriek

als

deze.

De scheidin

g

na

de

rea~tor

is echter vereenvoudigd. Na kondensatie van de

koolwaterstoff

e

n

kan men de

gassen

afvoeren en verwerken.

11

LJ I ' I ( ,

- r

.

[

.

r '

r

.

I l .

r

1 \

.

11

U

. ' /

I.

' 9 '

-REAC TORBImEK

E

lJI

NG

De r

ea

etorsectie.

Zoals

e0rder gezegd zijn de

gegevens

uit het

patent U.S. 3.299.155

gebruikt

als b

asis

voor onz

e

berekenin~en.

Uitge

gaa

n wordt

v

an

een

jaar

pr

oduktie

van

220.000 metrische ton styreen

per ja

ar

(r

r.

T/yr).

Dit wordt in

Chem.

Eng.

New

York

8-2-1971.

p. 23

aange~even

als

een minimum.

220.000

l

lj

T/yr

=

667

MT/sd

(gerekend met 340

produktie-dagen per jaar)

Op volla

st

zal er dan

28

Wr/hr styreen geproduceerd worden.

De

netto-voeding van

de unit bij

een selektiviteit

van 90

%

is da.n 31.8

MT/hr

ethylb

e

nzeen.

Bij e

e

n conver

s

ie van

90

%

wordt

10

%

van de

ethylbenzeen als

recycle

n~ar

de

reaktor

teru

ggevoerd

.

De reaktor vlordt

dus gevoed met 35.3 r.IT/hr dhylbenzeen

(332

kmol!hr) .

Er

wordt een

SO

'

~/EB

mol ratio

a

an

'

3'

enomen

van

i

:

?v

.

'

Dus de voe

d

ing bes

taa

t

voor

166

krool/hr

o

f

1006

r.1'r

/hr ui t

SO~.

....

~--'--Tevens wordt een

H?/EB

mol ratio gekozen

van 9 : 1. De voedin

,

,;"

wordt

dus

v

el'dund

met 82 HT/hr

N'2

(2940

kIn

0

I/hl') •

Voor

de

reaktor

geldt

dan

de

volgende

massabalans.

ethylb

e

nzeen

styreen

S02

H

H

28

2°

benzeen

tolueen

benzothiofeen

overig

N

₂

I N:

-

-

..

~-

---

-

-35.3 I

'

lT/hr

332 kmo I/hl' 0.9 atm

10.6

I,~T/hr

166 kmol/hr 0.45atm

82

NT/hl'

2940 kmol/hr 8.05atm

1~7.9

NT/hl'

3438 krool/hr 9.4 atm

U I T

3.5

ûT7hr

33.2

28.0

J.1T/hr

269

4.0 lolT/hl'

63.3

3.0 HT/hr

89.7

3.2 J.IT/hr

119.4

0.6

MT/hr

6.7

\

1

0.6

NT/hl'

6.1

1.1 lvlT/hr

13.0

1.3

r.IT/hr

3.4

\

82

NT/hl' 2940

127.9

MT/hr

3604

k~oi/h

kmol/h

r

kmol/hIl

kmol/hr

kmol/h

~

kmol/h

1

kmol/h

~

kmol/

h1

1

kmol/hl

i

kmol/h~

kmol/h

Het gasvolume dat

door

de reaktor stroomt is ongeveer 18.400 Nm

3

/hr. Onder

de actuele kondities is dit 25.200 m3/hr.

In het

desbetreffende

patentgeschrift wordt een GHSV gegeven met

een

waarde

1700

(Nm

3

/m

3

kat.).

I

LJ

I 1

L

\

1

.

,

.

f

'

(

r '

I

r .

f ' l .' r

I

( )

n

f1

-

- î U

-

-

- - -

-"

--.

,

-'

I

Di t

volume

wordt verdeeld ov

e

r tw

ee

re

akt

or

e

n.

\'ie

kiezen een

'

diam

e

ter van

2.3

meter

en

een hoogte

van

5.5

meter.

Per

reaktor wordt

12.600

m

3

/hr toegevoerd.-De

lineaire gassnelheid. b

e

trokken

op

de

le

ge

reaktor is dan 0.84 mis

'

.

De

drukval

over

Fair

en

H

a.

tch

Dp'

=

de reaktor

en

wordt

b

e

r

eke

nd met behulp van de

formule

van

(zie

koll

ege-d

iktaa~

Eeertjes)

:

K

'

_f

(1?)2.

_~-

-

n (

_"Cl

W.

y\ (

_\:

S

0

l1-

~

)

î

3

-\1

'i..-" ")

6p'

K'

(?

'(

W

t.

S

o

n

=

=

=

: :

=

drukval per meter

Ko zen,y-Karmann-konstant e

dichth

e

id

viscositeit

lineaire gassnelheid betrokken

op de le

ge

reaktor

porositeit

specifi

e

k oppervlak van de

kata.-lysator

experimentele f

a

ctor

afha~(elijk

van de

stromin~skondities

Heertjes vermeld hier een meest \>laar

s

chijnlijke waarde van n :: 1.8.

De Kozeny-Karmann-kon

s

tante

wordt gelijk

a

a

n

5

gekozen.

overeenkomstig

Heertj

es

.

So wordt bepaa.ld alsof de k

at

alysator zuivere bollen war

e

n m

e

t een

di~mcter

van 10 mmo

De drukval. zo uitgerekend, is dan

=

2.1

atm.

Evenwichtslig~in~

Daar

styreen

en ethylbenz

e

en beide de benzeen-kern gemeen hebben. hebben

we alleen de

.6G~

-incrementen van -CH=CH2

en -CIf2-CH3 met elkaar

verge-lek

e

n.

De re

s

ultaten zijn uitgezet in figuur

1.

Men ziet dan beneden 1050

0

C styreen stabieler is dan ethylbenzeen.

o

VoL~ens

Kirk-Othmer moet de reaktortemperatuur beneden 610

C.

blijven

omdat boven die temperatuur ethylbenzeen en styreen ontleden. Hier wordt

als

'

gunsti

'

~st

'

e

t

e

mperatuur

550

0

C. aanbevolen.

t

r

I

u

I ' l . (

.

r '

r

'

I r l

,

,

I'

( , - - -

-Berekening

van de

reaktiewarmte

De re

akt

i

ewarmte

o

nder

standa

a

rdomstandigheden

kan

heek eenvoudig

b

epaa

l

d

worden met

behulp

van de vormingsenthalpiëënvan alle

co

mp

onenten

in

de

reaktievergelijking

ethylbenz

e

en

29.80

styreen

147.75

802

- 333.0

H28

20.80

H,O

- 242.0

,

-Vormin

gsent

hal

p

ie bij 25

0

C.

in

kJ/mol

/

'

Gezien de

reaktievergelijking

gel

dt

LH

o

_r,s

=

141.15

+

](-20.8)

+

~(-242)

(29.8) -

*

(-333)

=

+

48.6

kJ

jmol

_

Deze

standaard-reaktiewarmte moet

no

g

een druk-

en temp

e

ratuurkorrekti

e

on

dergaan

. De

drukkorrektie

is verw

a

arloo

sd

, omdat de r

eak

tie zich

bij

b

et

rek

ke

li

jk

la

ge

druk

afspeelt.

De tempera

tu

urskorrektie

wordt

b

e

r

eke

nd uit de

Is

c

=

f(T) -funkties.

p

b.Hr

=6H~,s

+

j2cPreaktanten·dT

+

Tr

hl

'"

J

~cPprodukten·dT

T",

Uit Landolt-Bornstein

11

4 worden de soortelijke warmtes

afgelezen.

298.15

400

500

600

700

800

900

oK

ethylbenzeen 128.4

170.5 206.5

236.1

260.6

281.0 298.2

styreen

122.1

160.3 192.2 218.2 239.4

256.9 271.7

80 2

39.87

43.47 46.53 48.99 50.92 52.43 53.64

H28

34.22

35.60 37.21

38.96 40.78 42.48 44.30

Soortelijke warmte

in

J/mol K

'0-

-Deze Cp-funkties zijn numeriek

g

eïntegreerd

me

t behulp van de methodes

van

Simpson en Euler.

ethylbenzèen

- 114.8 kJ/mol

styreen

+

106.3

kJ/mol

S02

24.9

kJ/mol

H2S

20.1 kJ/mol

H20

19

.

0 kJ/mol

6 H - k o r r e k t i e

L -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[

r '

r

'

L )

\ l

, I

( 1

De

enthalpiekorrektie

voor

stoom

is berekend uit een tabel in het bo

e

k

van

R. H.

Gall

ani

.

De

reaktiewa.rmte

is zo b

e

rek

e

nd op

6.

Hl'

=

14.2

kJ/mol omgezet ethylbenzeen.

De reaktie is

dUG

endotherm.

Bij de berek

en

ing

van de r

eak

tiewarmte is alleen d.e selektieve reaktie in

besehou,,"ring

genomen. Nocht de

r

ea

ktie''larmte bij de niet-selektieve omzetting

van

ethylbenzeen meer

of

minder

zijn

.

d.an is dit ver

s

chil verwaarloosd.

,

De

gemiddelde soorteli

jke

w2.rmte

van het produktga.s bij

550

°C. is

55

.r/mol oK.

ongev

ee

r

He·t

produktgas kan

dus,

gezien

d.e mol

e

nstroom van

3637

kmol/hr,

per uur aan

warmte

afstaan

198.000

kJ;oC.

Er

is

een

ho

eveelhe

id warmte nodig van

300

kmol/hr

-Y.

14.2

kJ/mol ""

4.260.000

kJ

H t

e

pro

d ' t

UK

gaH

h

ee

ft

d

a<:'!

,

rom een

t

empera

t

uur 1e

d"

+

22

°C. lager 1" s dan d1"

e

van het

reaktantenmen~sel.

Deze "larmieb

a1.ans

over de r

eak

tor ziE:t

er

in formule-vorm ah

.

volgt uit

Refer

e

nties

u.s.

3.299.155

kollegediktaat Heertjes

kollegedikta

él

t Chemische Reaktorkunde TH Delft

1970

door

·prof.drs.P.J.van

den Berg en prof.ir.W.A.de Jong

Landolt-Bo:cnstein, Za.hlenwerte undF

.

unktionen

6.

aufl.,

Il.

Band

4.

Tèil

1961,

Springer Verlag, Berlin

R.H.Gallant, Physical Properties of Hydrocarbons.

1970 ,

J

L

r •

[

:

r '

! ' ;

r '

,

;

r

1

i

,

I

r

1

I

I I

r<

I ( ) ( ~

l

,

-- 13

-SCIr

1:IDIlJG

G

AS

'7.

VLOEISTOF

Om

de

S02

,

H2S

en N2

te

s

c

he

iden van het

koolwaterstoffenmengsel

en

o

het wat

e

r wordt het re

ak

torprodukt

gekoeld

tot 60 C.

De

over~ebleven

gas

s

en

"Torden

a

f,ç:ev

o

e

rd ter verder vervlerking.

De

gekondcnseerde

koolwater

st

offen

worden gescheiden

in enkele de

s

tillatie-toren

s

.

WARl

.i

T

EHUISH

ounIlW

REAKTOR-SECTIE

De warmt

e

die

nodig

is om de r

eak

tanten op

te warmen

is

voor e

th

ylbenzeen 20

0

C.(L) naar 550

0

C. (G)

voor S02

20 °C.

na

a

r

550

0

C.

voor N2

20 °C.

naar 550

0

C.

51.500 kJ/hr

25.060

kJ/hr

41.500 kJ/hr

124.060 kJ/hr

De

wa~te die afge

s

taan wordt door de prodwctgas

c

en

bij de koeling tot

60°

C. i

s

voor

ethylb.enzeen

4.160 kJ/hr

voor

styreen

37.500 kJ/hr

voor

water

10.860

kJ/hr

voor

tolueen

8.100 kJ/hr

voor

benzeen

6.100 kJ/hr

voor

SO~

1.400 kJ/hr

voor

H2S

1.630 kJ/hr

voor

N2

41.600 kJ/hr

122.550 kJ/hr

Het is in dit stadium van het ontwerp nog niet zinvol om een warmtebalans

te geven.

Enkele problemen die hier nog

lig~en

zijn

de verwerking en recycling van de

gassen

SO,

het

temperatuurniveau

van de vrijkomende wa

T

mte van de de

produkt-gasseruis

niet hoog

genoeg

om de voeding op temperatuur te bren

g

en.

De

gassen 802

en N? kunnen wa

a

rschijnlijk het beste geheel of

gedeeltelijk

voorverw

arm

d

worden

in een fornuis. Ook kan men dan

deze hoger dan 550

0

C. v

e

rhitten om een te la

ge

t

em

peratuur van

de

I

l j (

,

I

l _

[

:

l , r .,

r

1

I

l J l J

rl

i

I l ) l

I

---r4

warmt

ew

isselin

g van

produkt

en

ethylb

enze

en-voedin

~

(inclT recycle

EB).

Met deze

warmte

wisseling

kan

EB

echter nooit de

vereiste

temp

e

ratuur

van

550

°C.

krij

~e

n.

Na

men

gi

ng bij de reaktormond heeft de totale voeding dan toch een

tem

perat

uur v

a

n

550

0

c.

De ov

ert

olli

g

e

rlarmte v

a

n h

e

t produkt

ga.s

kan,

afhankelijk

v

a

n

het

tempe-ratuu

rn

iveau,

gebruikt worden

voor la

ge-d

ruk-stoomopwekkin

g

, verwarmin

g

van

reboilers

in

de

de

s

tillatiesektie of wordt

afgevoerd

in w

a

ter- o

f

luch

tkoele

r

s

.

tenslotte weet

men

nog niet welke temp

e

ratuur de beschikbare

~02

heeft.

De v

erbr

andin

g

van H2S en S levert natuurlijk ook warmte op.

Aan

gezie

n nog ni

e

t be

ke

nd is hoe dit

gedee

lte van de fabriek uit

ge

voerd

kan

w

orden,

kan

ook moeilijk nader in

!Seg

aan worden op dit aspect van

1

L )

r

I

I ,

[

l )

~

1

r-'

I

I }

r

I I

--

1,-

--1

,

1ETHODE

VAfi

B

E

REKSNING

VAN DE

Jl~:::iTILLATI8SECTIE

,

.

,

-

,

~

De

Gcheidin~

van het koolwaterstoffenmen

g

sel

gebeurt

in drie de

o

tillatie-torens.

benze

en

r - - -...

tolueen

A

water

recycle

EB

A

.--_ _

~

~

styreen

99.9

%

rl

·

benzothiofeen

t

ee

r

polymeren

De berekenin

g

van de destillatietorens is geda

a

n volgens de method

e

van

McCab

e

-Thiele met hun bekende dia

g

ram

(zie

kolle~edi

k

t

a

at

Heertjes).

De ev

e

nwichtslijn wordt bep

a

ald

mei;

behulp

.

val1. de relati

e

ve vluchti

g

h

e

id

van de

s

leut

e

lcomponen

te

n ten opzichte van

elkaar.

De

.

destill

a

tie van het m

enlSs

el

wordt

namelijk b

e

rekend

alsof

er t

wee

componenten a

a

nwezig \-l:a.ren. Deze sleut

e

lcomponenten zijn de laa

,c::s

tkok

c

nde

component die in het bodemprodukt moet zitt

en

en

de hoo

gs

tkok

en

d

e

component

die over d

e

top

moet

gaan.

o

Styreen mag niet blootgest

e

ld worden aan temperaturen hoger dan ong. 105 C.

De reden hi

e

rvan is dat styreen anel polymerise

e

rt bij hogere temperatuur.

Daarom moet

e

n de destillaties uiteevoerd

worden

bij

la~e

druk.

Dit is ook de reden dat in veel processen een polymerisatie-inhibitor,

bijvoorbeeld

,

zwavel of catechol wordt toee;evoegd aan de rui-Ie styre

e

n.

Overigens zijn de berek

e

nin

g

en enig

s

zins speculatief,

da~r

niet

exact

bekend is welke bijproduktemen hoeveel daarvan gevormd worden.

De aannamen die we gemaakt hebben leken ons r

e

delijk voor dit do

e

l.

Het zal echter weinig moeite kosten om de

berekeni~gen

te

korrig

e

ren

naar a

2

nleiding van gegevens uit een proeffabriek.

Referenties

- kollegediktaat Heertjes

l

J

I '

l , I

r

"

,-l, l J

~

1

n

I )

(\,

I _; I

- 15

-DE E

P

;

RSTE SCH

EID

IIraSTOREN

In

verband met de kooktemperatuur

van

ethylbenzeen

en de maximum

temp

era

tuur

'

van

105 oe. onder in de toren,

wordt

de druk terpla

a

tse

250 mm Hg g

ek

ozen; de druk

bovenin

zal dan

on

ge

veer 150

mm

Hg zijn.

De dampspanning van tolueen en ethylbenzeen wordt

in onderstaande tab

el

gevonden

.

, , - - - r - - - - -

- - - , -

-

- - - - -

- -

- - - - r - - - -

-"

-

-

-

'

temger

a

tuur

dampspanning EB

C.

mm Hg

-

--

--_

..

60

52

70

81

80

121

90

176

100

248

--

-

- - - -

,-,

--dampspanning tolueen

mm

Hg

142

207

292

408

558

rel.vluchti~heid 0(

'

2.7

2.5

2.4

2.3

2·3

-

-

-

- - _

...

-De

eve

nwicht

sl

ijn

wordt

b

e

rekend

met

behulp van de gemiddelde relatieve

vluchti

ghe

i

d

.

Dezeevem

f

ichtsJ.ijn

rrordt

voor/{e

u

teld d

'

oor

_Y

_{c ---~} 0<.

X

1

+

(0( -

1)

X

Di t

geeft

r---~--'-

---,--

-

,,--

- - -

,----.

-

.

'-

-,

-

,«

-

---'

-

,

-

-,

- - -

---

_

..

_

_

..•

_

-

_.

._---_

...

-

.-

.

x

0.1

0.2

0.3

0.4

-y

0.204 0.365 0.496 0.605

0.5

0.697

0.6

0.7

0.8

0·9

J

0.

_

7

_

75

_

0.84~

_

_

_

~

_

~~~

_~_

~~?~~

_._

J

De voeding

van

de

toren

bestaat uit onder andere 6.7 kmol/hr tolueen

en 33.2

kmol/hr

e

thylb

enzee

n.

Als

alleen

deze

sleutelcomponenten

in

aanmerking '-Torden

genomen,

dan is de molfractie van tolueen in de

voeding

Xf

=

0.167_

De voeding

komt

de toren binnen op een hoogte waar een druk heerst van

200 mm Hg. De temperatuur van de voeding ds ongeveer 60

0

C.

In het

McCabe-Thiele-diagram

\'1ordt de helling van de Q-lijn bepaald

Hit

-

H ...

door q

=

---~'

•

Dit is de verhouding tussen de warmteinhoud

per

H"

-

H'

mol van de voeding ten opzichte van de

gasvormige

fase en de

verdampin~s-warmte per

mol.

Voor de voeding van de eerste kolom is dit voor elke component uitgerekend

en vermenigvuldigd met de molfractie.

Enthalpiöen

die hierop betrekking

hebben zijn

afgelezen

in de

figuren

2 -

6 •

Deze figuren zijn

gekonstru-eerd uit

gegevens

van

Maxwell

en Gall.'a"nt.

Zo berekend

wordt

voor q de waarde q

=

1.13

gevonden.

Dit betèkent

dat

J

[

:

I

l.

1 •

I

r .

l

r '

l .

[ 1

n

l.

....

'

.;'~ ,

17

-De

ver

ge

lijkin

r;

v

a

n de

Q-lijn

is

N

a

int

e

kenin

g

va,n

de Q-lijn in figuur 1, wordt de eerste werklijn

gekonstrueerd

De refluxv

e

rhouding R en de

d

es

tillaatsamenstelling

xo

b

e

palen deze lijn.

We kiezen

xD

=

99

%

•

Voor

R

nemen we

R

=

1.

De refluxv

e

rhouding is

gek

ozen

op

grond

van

een

optimali

sering

waarbij

het aé

l

ntal schotel

.

:

;

afg

ew

ogen is tegen de

grot

ere

warmteafvoer in de

othead cond

ensor

•

Uit figuur 1

blijkt dat er voor de

s

cheid

.

ing

15 schotels nodig zijn,

.~.--9

boven en 5 beneden

de

voedingsschotel.

De gasstroom in de kolom naar

boven

be

s

taat uit water, tolueen

en

benzeen.

6.1 krool/hr

6.1 kmoljhr

179.8

km~l/hr

benzeen

tolueen

"later

(stoom)

193.2

krool/hr

is

de

totale

gas

stroom in de

kolom

naar

boven.

Het

volumed

ebiet

hiervan

i

s

=

3600

Een

redelijke

gass

nelheid

in een kolom is

.75 tot 1.0

mis.

De doorsnede

van de kolom moet dan

8

m

2

zijn. Dit ver

eist

een

diameter van

+

3i

m.

Het

aantal praktische schotels wordt

22

gekozen

(w

e

rkin

~

sgraad

one

.0.1).

De hoogte van

de kolom wordt

dan on,c;eveer 18

meter.

(schotelafstand ruim

80 on)

Warmtebalans

Het verschil in

warmteinhoud

van de componenten bij het binnenkomen

en

bij

het

verlaten

van de

kolom is

ethylbenzeen

33.2

(

18.1

11.0)

₌

256

MM

J/hr

styreen

₂₆₉

(

18.6

10.8)

=

2100

MI

'

I

J/h1'

stoom

_119.4

(

2.2

4.6)

₌

431

HM

J/hr

benZtthiofeen

13

(

₊

₇

)

.,

91

MM

J/hr

benz

_

en

_6.7

₍

_18.2

_23.0)

₃₂

J;lM

J/hr

tolueen

_6.1

(

21.0

26.0)

34

lilM

J/hr

1950

f·1M

J/hr

r'

I

I l . l I l I

n

n

l,

r

-

18

-In

de kondensor wordt

de

vol~ende

hoeve

e

lheid

warmte

afgevo

e

rd

water

₁₄₃₅

(

48.0

2.2)

: t

61.75°

MM

J/hr

benzeen

53.6

(

53.0

18.2)

==

1.810

rvn

,

1

J/hr

tolueen

53.6

(

62.1

21.0)

::

2.230

MM

_J/hr

69·850

filM

J/hr

Berekend is volgens

(I<-tt)

r};,.

.

I(L'lt-l)::

Q

Het

vermo~en

van de reboiler bij deze de

s

tillatietoren is dan

11.800

MM

Jjhr •

Referenties.

kollegediktaat Heertjes

J.B.r.1axwell, Data Book on Hydrocarbons, D.van Nostrand Cy.lnc. ,

Ne, .. York,

1950

R.W.Gallant. Physical Properties of Hydrocarbons. Gulf Publishing Cy,

1

.

I

L..J

r

:

r

i

,

, r •

n

n

n

- 17

-De sleutelcomponenten bij deze

s

cheiding zijn ethylbenzeen

en

styreerr4l

Uit

Kirk-Othmer

haalden we de gegevens betreffende

toptemperatuur en

-druk,even-als bodemtemperatuur en druk:

T

top

60

0

c

bodem

105°C

p

50

mm Hg

200

mm

Hg

De dampspanningen van tolueen en ethyl

benzeen

zijn:

10

Temp.

('

,

C) Dampsp.E.B.

(mm

Hg)

Dampsp.St. (mnT. Hg)

50

0.65

0.49

60

1.02

0.71'

7

;,

0

1.58

1.18

80

2

..

35

1.73

90

3.4

2.6

100

4.8

3.6

rel.vl.

1.33

1.33

1.34

1.36

1.31

1.33

J)e evenwichtslijn

worc'l.J.;

hier weer

berekend

met

behulp van de

gemiddelde

relatieve vI uch"bigheid

.

:

I':et

behulp

van deze formule

komen

we

tot de

volgende

wa

a

rden:

,:x;

y

0.001

0.00134

0.005

,

0.00267

0.01

001336

.

0.02

0.026:6

0.03

0.0398

0.05

:

0.0658

0.1

0.129

0.2

0251

,';

0.3

0365'

0.4

0.472

6.5

0.574

0.6

0.667

O.T

0 .. 757

0.8

0.843

"

0.9

0.923

1.0

1.000

, , I

[

~

r

.

r ' l "

i1

l

J

n

De

vo

e

di

n

g

h

e

b

b

e

n we ges

teld op

11

%

~

.B.

e

n

89%

Styreen. De temperatuur

van d

e

voedin

g

b

re

n

ge

n

~

le

o

p

40

0

C ,di t om de h

:e

llin

g

vande q-lijn zo la

ag

mo

g

e

lij

k

te m

aken

.

M

et d

e

z

e g

e

g

even

s

ku

n

nen we dan via de e

n

thalpi

e

dia-g

r

ammen

de q b

c

r

eke

nen,q i

s

d

a

n 1.25.

N

a enk

e

le k

e

r

e

n prober

e

n vonden we

voor d

e

hellin

'r

'

va:n

de 1

e

w

e

rklijn 33/3

4'

a

l

s de me

e

st gunstige

.

R is dus 33.

Ve

rdere

uih

Terkine

v

a

n h

e

t m

c

C

a

be-Thi

el

e di

agr

a

m

levert dat er boven de

vo

ed

i

n

G

ss

c

h

o

tel 22,e

n b

e

n

ede

n de voedi

ngss

chotel 40

s

chotels nodig zijn.

Al

s

w

e

uitg

aan van

een '

ie

r

k

in

gsg

raad v

an

6Cf/o

kom

e

n

~le

op 37 schotels boven

en

6

7

s

chotel

s bene

de

n

d

e

vo

e

ding

s

schot

e

l.

Afm

et

i

ng

en va

n de k

olom.

Uit

gaande

va

n een gas

stroom v

a

n 1 mis en een nettomolenstroom van 35 krool/uur

)

na

ar

bov

e

n, k

omen

l'le

op e

e

n diameter v

a

n 2.3 m. Dez

e

diameter is zeker

vo-~

do

ende

voor h

e

t

gedeel

t

e

o

nd

er de voedin

g

s

s

chotel,alwaar het grootste gedeelte

l

Uit

ee

n v

l

o

e

i

stofs

troom be

staa

t, di

e

a

a

nzienlijk minder volume inneemt.

Een

norma

le sch

o'tc

lhoo

gt

e i

s 4

0-50 cm. l

l

et een tota

,

al van 114 schotels

kom

en

'

Je

op

een hoogte

v

a

n o

ng

eveer 50

ID.

Warmte

ba

lans

rle

k

un

:

ïl.en

w

eer

5

warrn'

l;estro

me

n onder

s

chei

d

en en wel als v-olgt:

IN

Vo

ed

ing

A

310

kro

ol/

uur

UIT

Reb

o

ile

r

B

De w

a

rmtebalan

s

is dan al

s

volgt:

Condensor

C kmol/uur

De

s

tilla

a

t

D 35 krool/uur

Bod

e

mprodukt

E

275 kmol/uur

De w

arrnte

inhou

de

n zijn nu al

s

volgt (b

e

rekend met do

'

bijbehorende enthalpiebalan

s

en

;

Voedin

g

:

_E.D.

_{7,2 kj/mol}

1

Styre

e

n 7,2 kJ/mol Warmteinhoud

218 kJ/uur

totaal 3îO krool

Conden

s

or: Om 1 mol E.B. te condenseren heeft men 45

,

kJ nodig (koelen tot

50

0

q

R=33,dus totaal te condenseren 34.35.10?mol

warmteinhoud:34.35.45.103=53500.103kJ/uar

Destilla

a

t

.

:De

z

e heeft een temperatuur

tot

a

le w

a

rmteinhoud is dan

dus van

500C,d.~.z.een

warmteinhoud

3

..,

35.9.10

=

315.~à

kJlüur

Bodemprodukt: D

e

temperatuur is hiervan 1050C,d

.

w.z.een warmteinhoud van 20

k

~

o

l

tot

a

le warmt

e

inhoud: 27-5.20.10

3

=

5500.10

3

kJ/uur

Het v

erm

o

g

en v

a

n de reboil

e

r kunn

e

n we nu met de w

a

r

m

tebalans uitrekenem

en dez

e

worat d

a

n: 53500.10

3

+

315.10

3

+

5500.10

3

- 2180.10

3

". 57.10

6

kJ/uur

I

_I

l

u

r'

r

-r ' I I l J. r ~

[1

~l

r

l J

DE DERDE

S

C

HE

IDINGSTOR

E

N

In deze scheidingstoren wordt de ruwe

styreen

(bodemprodukt van de tweede

toren) gezuiverd.

Afgescheiden worden benzothiofeen,teerprodu.1cten en

s

tyre

e

npolymeren, we

kunnen nu

als s

leut

e

lcomponenten nemen

s

tyre

e

n en benzothiofeen.

Deze toren i

s

door ons niet berekend omdat:

-- de benodi

gde

gegeven

s

van benzothoife

e

n on

s

niet

bekend zijn

--

de

berekenin

ge

n volkomen

dezelfde

is al

s

die voor de torens 1 en 2

-

de berekeningen nogal

s

peculatief zijn, omdat het inmt. gegeven

tijdsbestek niet mogelijk was om de hoeveelheid bijprodukten en

polymeren te berekenen.

SLOTBESCHOUVlING

Uiteraard kan een ontwerp dat

.

in

6-8

weken gemaakt moet worden, niet

vollè-dig zijn.

Er zullen

altijd wel onderdelen of aspecten ervan niet of niet

voldoende

doordacht zijn.

Voor een ontwerp als dit, met een nieuw proces,

b

·

bleek dit

zeer

zeker het geval. De destill

·

atiesectie van dit ontl\l

c

rp va.lt

heel

goed

te vergelijk

e

n met die van bestaande processen. Alleen de

hoeveel-h

e

den en

soorten

bij

pr

odukten ver

s

chilt enigszins.

Voor een uitgebreid proces zouden experimentele gegeven

s

be

,

;

chikbaar mo

e

ten

zijn. Een tweede punt waar nog

a

a

ndacht aan be

s

teed moet worden is de

toe-voeging van een polymerisatie-inhi bi tor a

é-'

.

n de styreen. Vaak wordt hiervoor

gebruikt zwavel en t-butylcatechol.

Aangezien de reactiesectie op een geheel nieuw principe gebaseerd is

ont-stonden hier veel meer vraagtekens.

Al genoemd is het probleem

v~n

de verdunning N

2

of stoom, en de scheiding

erna. Ook de opweking van het reactantengas: H

2

S,S02 en N

2

staat ons nog

-niet duidelijk voor ogen. Mede in verband hiermee is de warmtehuishouding in

de reactiesectie ook nog in het duister gehuld.

Een punt waar evenmin aandacht aa.n is besteed, is de corrosie die kan

optre-den door de aanwezigheid van H

2

S, S02 en

B

2

0.

ÎÎoQp.:aam

veiligheid noch aan produktièproblemen is aandacht besteed in

ver-band met het mogelijke ontsnappen of lekken van"

,

S02 ere H

2

S.

Al deze aspecten zouden nog bekekero moeten worden,indien men een kompleet

J

i 1

i

'

I ,

r '

[

.

[~

o

o

n

n

n

n

I i

- 22

-CONCLUSIE

Na

t\olee maa

nden

werk

aan

dit

ontwerp zijn

we

tot de conclusie

gekomen

dat

het

waarschijnlijk niet

loont om voor een

s

tyreenf

ab

riek te

kiezen

voor het beso

hre

ven

proces.

·

In de

eerste plaats

is de selektiviteit

hooguit dezelfde als

die van de conventionelB

dehydrogenatieprocessen.

De

conv

e

rsi

e

per

pas

s

i

s

v.Tel

iswaar

I1QECr, maar

daartegenover staah ho

ge

re

investeringen vanwege

co~rosie-gevaren,

pollutie-

en veiligheidsproblemen

In ieder

geva

l

zou eerGt

een pilot-plant

gebouwd

moeten

worden

om te

zien

of het

werken

met

S02 en

1I

₂

S

geen

problemen

geeft

die onoverkomelijk zijn.

Alles

in

aanmerkil'jg genomen

lijkt het ons niet aan te raden op dit moment

investerin

gen

te do

en

in

een styre

e

nfabriek volgens dit proces.

Een

s

tyreen

fa.briek

m

oet

groot

zijn l'ril hij kunnen concurreren. In dat

geval