De kommerciële bereiding van 10.000 ton butenal per jaar uit ethanal volgens het gasfase proces, ontwikkeld aan de Technische Hogeschool Delft

o

o

o

o

o

.

~ O· , \ 'i "

.

Nr:

2481

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

,.H.J. __ H.e.idwaill.er--..eo.-_S. __ ~et

s-

_

_

__

_

___

_

___

_

__

_

__

~---

___ _

onderwerp:

De kommerciële bereiding van

10.000

ton butenal per jaar uit

... --... -.. -.... ---_ ... .o._ ... ____ ...

Hogeschool Delft.

• I~

/,

ad res: Rol~nd HoJ.stlaan

1

070 ,Del ft

Roland Halstlaan

,

447

,Delft

opdrachtdatum : September 1'979 verslagdatum : Augustus 1980

o

o

o

o

o

o

o

o

d

o

o

( ( ( ( ( ( (

c

o

o

o

De komm8rei~le boreidinQ van 10.000 ton butenal por jaar uit ethenal

vol~8ns het gasfasG proces ,ontwikkeld aan de Technische Hogeschool !Jelft. H.J. HeidwQiller Roland Holstlaan 1070 Delft S. Spoets Roland Holstlaan 447 Delft

Opdrachtdatum : september 1979 Verslagdatum september 1980

<-( ( ( { (

r

o

(' 1. Inllouds<l:J!"','"\vP' 1. Inhoudsopgave 2. Samenvatting 3. Konklusies on ormerkin~~n 4. InleidinCj

5. Uitgangspunten van het ~ntwerp. ó. 3eschrijving van het proces 7. De proceskondities

8. Keuze van de apparatuur 8.1 Oe reactor

R.2 Oe scheiding van het reactie produkt 8.3 Oe compressor

8.~ 00 destillatio en de nixer-settlcr

g. MassR en warmte b2lansen, apparatenlijsten cn processchema 10. Symbolenlijst

11. Literatuurlijst

BijlLlgen :

Sijlage 1 : De reactor

1. Het optreden van Knudsen diffusie in de reactor

2. Oe bBrekenin~ van de dynamische viscositeit van het mengsel in de reactor

3. Het volumo van de r82ctor

4. Berekening van de drukval in de reactor

5. Berekening van de dimensieloze groepen voor de reactor Bijlage 11 : Het systeem butenal-water

1. De kritische waarden van butenal

1. pag 1 3 5 6 9 11 13 13 16 19 21 22 23 30 33 34 35 36 37 38 42 45 46 2. Oe verdampingswarmte van butonal als funktie van de temperatuur 48 3. Oe dampspanning van butenal als funktie van de temperatuur 49 4. Oe warmte capaciteit van butenal in de gas fase 50 5. Oe pS8udokritische waarden van het mengsel water-butenal

6. Oe mengwarmt8 VRn butenal in water

7. De activitoiits- en vGrdolin~scoëfficiënten van het systeem

8. Oe vnn het binsire menQsel buten al-water

51 53

55 63

( ( ( ( ( ( IC

I

I

o

9ijlnQR 111 : Berekening van koeling en absorrtie InleidinQ

1. Oe verwijdering van zowel ethanal als butenal in een absorptie

kolom door l!Jate.rwassin'J

2. Oe verwijderinQ van butcnal in eon absorptiekolom door

water-wassinf.]

3. De vcrwijd~rinQ van butenal in een absorptie kolom door wa ter-uassin'] ~8t interne terugvoer

!~. f<o elin Cl

0. Oe 'Jedccltclijke koeling van het reactor-effluent in een

con-den ser met koelwater

6. Het wassen van de gasstroom in een absorber met water, na de

condenser

Sijla~G IV : Hot systeem Rthanal-l!Jater

1. De dan[Jspannin']skrofTlfile van "thansl en de P-x-y en de T-x-y fi-sur8n en riiaC'r2~mp.n van hct systeem 8thanal-wi'ltor

? Do Hnnry- en de vordelin'Jsco~ffici~nt van het systeem e

thanal-water

3. 03 oplosl!Jarmte van het systeem ethanal-l!Jater 4. De dynamische viscositeit van ethanal bij 250 C

2. pag 67 68 70 73 75 77 78 81 90 91 96 98 100

( 2. ( ( ( ( ( ( (

o

Samenvatting.

Dit fabrieksvoorontwerp behandelt de technische bereiding van butenal uit ethanal volgens het gasfase proces. Dit gasfase proces is ontwikkeld aan de Technische Hogeschool Delft door

- ~,-.---

--een promotie onderzoek van J. Venselaar. ~let de gegevens ver-kregen uit zijn onderzoek is dit fabrieksvoorontwerp uitgevoerd. De voornaamste conclusie van dit fabrieksvoorontwerp is, dat de technische verwezenlijking van het onderzoek van Venselaar mogelijk is en dat, gezien de eenvoud van de ontworpen commer-ciële plant, een economische evaluatie zeker de moeite waard wordt.

Hoewel buten al op industriële schaal vervaardigd wordt via het vloeistoffase proces, is butenal als stof in de literatuur een "onbekendelI, dat wil zeggen, de fysische eigenschappen van butenal zijn erg summier bekend. Een aanzienlijk deel van dit fabrieksvoorontwerp is dan ook

ge

~

aan het bepalen van de noodzakelijke fysische constanten. Deze fysische constanten

wer-den bepaald via een combinatie van literatuur onderzoek, bereke-ningen via statistische thermn, " mo delll_{berekeningen en}

gesprek-ken met v.d. Kooi.

Na deze fase is de resterende tijd besteed aan reactor - en eerste produktscheidings-berekeningen. Voor de reactor werden

schaal-vergrotingsregels opgesteld, waarmee de commercigle reactor berekend werd. De eerste produktscheidigstrap is van belang omdat dit gas-fase proces een recirculatie proces is, dit is om twee redenen:

1. De omzetting is niet volledig en bedraagt 18

%.

Te rug-voering van d~, rGactante~~is noodzakelijk ••

2. De invoerstroom van de reactor is verdund met 65 mol% water-stof; deze waterstof wordt teruggevoerd.

Voor deze eerste produktscheidingstrap werd een stamboom opgezet, die leidde tot de keuze van een gedeeltelijke condensatie van de reactorstroom, gevolgd door een waterwas in een absorber.

De verder noodzakelijk geachte technische scheidingsmethoden voor dit ontwerp zijn in het processchema aangegeven. Deze vallen onder het begrip "unit operationsll _{en mogen in dit ontwerp geen}

problemen geven voor verdere

e~uatie.

De warmtewisselaars, pompen zijn niet berekend en getekend op de meest logisch gedachte plaatso

<-( ( ( ( ( ( ( (î

o

(l

i

1. Het snsfase ~roces voor de bereiding von butenal uit othanal ,ontwikkeld aan de THOelft ,is een C)oed altern8tief voor het vloeistof proces~ ,Het is dan ook zeker zinvol de hier beschreven fabriek nader uit te werkon.

2. Voor de produktie Vi'\n 1 n~ 000 ton butenal [ler jFlFlr :ts een C)epakte buiskolom het beste.

3. Gekozen is voor de o~wcrl<inCJ van de produktstroem ,waarbij de to

recircu-leren stoffen eerst worden verwijderd ,met een daaropvolgende butenal zuivering.

4. De afscheiding van waterstof en ethanol in een kombinatie van een kondensor on r'en ?bsorber ,verdiend de vnorkour hnvrm eon absorber 811een ,']8zien de kleinere wasstromen. (dus kleinere energie-stromen).

5.H2t afvoeren van de oploswarnten in de absorber maakt het gebruik van egn schotnikoion ~anbevelonswaardig.

~. Veor do I:cclin: ,S8volçd rioor de absorbtiGkoln~ met uatorwassing zijn 3

1. LJisper I:oolen ,d.L'.z. de !<encrmsor waarin het systeem !-condenseert ~Jerkt op enn 1300r8 tempG!'atuur. floer produkt zal worden afgescheiden ,waardoor

do absorbtie kolom kleiner kan ~o!'den. (Minde!' water smindor oploswarmte).

2. ~ir~ koolinç; ,rl.tu.z. I<ondensati.e van alle aantJ/ezige komponentem behalve Notcrstof ,N8ardoor eon ahsorbtiokolom overbodiQ wordt.

3. Het werken ondor v8rhno~de druk ,d.~.z. meer vloeistof zal ontstaan in de kondensor.

7. Hot destilloren van het mengsel water ,hutenal en othonal is goed mo']olijk , maar regeltechnisch niet eenvoudi'].

8. De mate waarin en de wijze waarop de zware afvalstoffen verwerkt dienen te wordnn ,is ecm studio apart. Dit zal bef101cm h08 toren T21 er uit zal zien.

9. Het l]obruik van een turbokompressor is sterk afhankelijk van de dichtheid te

van het knm~rimeren sas. De ']roto hoeveelheid waterstof vereist dat voldoende zl'Jare komponenten toegovoeiJd 'dorden.

10. 08 hoge t8mperaturen bij de regeneratie maken een fornuis noodzakelijk.

11. ~ader onderzoek np pilot plant niveau is nodig om meer kennis te verkrijgen van Gas-vloeistof evenwichten ,voo!' een korrekte dimensionering van de kon-densor ,absorbor on de dostillatiekolom T18.

HRt sedrnS van de kommerci51e katalysator.

De invloed van de bij~rodukten op de scheidin'] en rie verwerking daarvan.

t

12. Voo!' een hetere he rekening van de vloeistof-aas evenwichten is onlangs door

.t,

'J .'

t.,l..,

Van der I<ooy Gen CQiilputorpr'ogufilma' ,ontwikkeld.

.

. \\..

l ( ( ( ( ( ( (

o

4. 5. Inleiding

De technische bereiding van 2-butenal (butenal,crotonaldehyde) uit

othanal (aceetaldehyde) via aldolcond8nsatie in de gasfas8 is een promotie onderzoek van Venselaar aan de T.H. Delft. Dit onderzoek valt binnen het kader van het project "Ethanol als basis voor

in-dustri~le produkten".

Oe huidigo produktie in de wereld van butenal geschiedt via de

aldolcondensatie van ethanal in de vloeistoffas8 met natronloog

<lIs katalysator.

Het gasfase proces is heterogeen en verloopt in ~~n stap, terwijl de reactie warmte ongeveer nul is. Er is een relatief lage conversie

h<lalbaar, de reactiesnelheid is hoog. (Dit alles in tegenstelling

~ut het vloeistoffase proces). Als k<ltalysator wordt tin op silica-gol gebruikt (2). Oe veroudering van de katalysator is snel.

Voor-~ ..

,-

-delon V.:lrl hot gasfaso procGs t.o.v. het vloeistoffase proces

z~Jn

:

:./'

.

-:SZI~!

_

I

1. LagG energie kosten, Ofildü.t de r8ü.ctie warmte ongeveer 0 is • ..2::~:t:~.

V. {h JV" ,..,

"."' ...

'

r

2. E~nstapGmechanisme van de reactie. v'"

,.,..1

..

)-t-"~ .- " - ••• -. - .--- n.,..c:... /,Ju"

3. ProcGstochnisch eenvoudige7' d'fl1 bov.engenoemde reds,$.

. . (., '" ~ k"'--, 1

""-IJ"" • '

c-"Vt,.Nk"ï

Om de snelle veroudering van de katalysator te voorkomen, wordt het

d3mpvormige ethanal verdund met waterstof. Nieuw was hot gegeven van Vonselaar, dat ook water toegevoegd wordt, hetgeen Gen gunstige invloed heeft op de seloctivitoit. Hoewel gestart werd met een ontwerp zonder watertoevoeging is dit ontworp voor het systeem waarin water toegevoegd wordt. Oe verdunning met waterstof en de lage conversie maken recirculatie in een commerciële plant noodzakelijk. De reactie-vergelijking van de heterogene gekatalyseerde gas fase reactie luidt :

2 CIL,-CIIO ----. CH,~-CH==CH-CHO + H 20

..J .)

(dthanal) (butenal) (water)

on noven - en volgreacties

1. 2 ethanal ---. ethylacetaat

«

(

_1/~) 2. butenal

~

lineaire geconjugeerde onverzadigde aldehyden

l~~

'5%

vertakte vinyl aldohyden

ringsluitingsprodukten CO, CH

5. D:J uit'Jiln!]s']I'oothoden vvn het ontwerp.

o~ kapaciteit van de fAhri2k :

ûe produktie van 10.000 ton butenal per jaar (5.5 molis) i" het uit-~angspunt van dit ontwerp. Hierbij is een jaar gesteld op 300 dag~n.

OAarvoor is 11 nol/~ aan nthanal nodi~. ,dat in de nabijheid van de

,)

butenal fabriek gemaakt wordt. Voor de reactie is water nOdig • •

Uaterstof is om drie redenen nodig. Een kleine hoeveelheid wordt

gebruikt

als~3anV

Ullin

g

van hot te spuien fJas in de recycle stroom ,

die di ent om de opbouw van verontreini!]ingen te voorkomen.

Een 'jroter deel is noodzakelijk om de fabriek

GJ

p te starten en

Gt

200r

de regeneratie van de katalysator.

H~t waterstof zal van buitenaf onder druk betrokken moeten worden.

Het produktgas uit de reaktor beva!: watersof (1~j9 molis) ,ethanal

(50.18 mOl/s) ,water (30.0 mOl/s) ,butenal (5.5 molis) en andere produkten (tabel 5-1). Hiervan worden waterstof en ethenel ger8

cir-kuleerd en de overige komponenten opgewerkt.

Je n2venprodukten ( 1;;) kunnen onderverdeeld worden in stoffen met

Ben kookpunt hoger en lager (ethyl acetaat) dan butenal. De zware

stoffen,2ls vloeistof af!]8scllSiden ,worden naar een afvalwater zui

-vering geleid. Het ethyl acetaat 'en ook èndere gassen, .zoals CO, CH₄

en prOpG8n kunnen zich opbouwen in de t'ecirculatie stroom"Orn dit-,te

voarkomG~ is een spui noodzakelijk.

Overigens kunnen zowel het te spuien gas en het regeneratiegas ge

-bruikt uorden 21s stookgas.

ue grootte van de afvalstromen hanQt af van de selektiviteit van de

reaktie ,die niet konstant is in de tijd.

LJtili ties :

HOQe temperaturen zijn nodig bij de regeneratie van de katalysator (450 C) ,bij de opwarminQ van de voedinQ van de reaktor (250 C) en voor de destil13tio l<olomrTJofl (.±.100 C).

Vanwege de ho~e temperaturen van het regeneratiegas is gekozen voor

een fornuis dat tevens het roaktiegas verwarmd.

Voor die plaat~en waar ethonal tot zijn kookpunt moet worden gekoeld

zal men noot en beschikken ovur freon.

Fysische konstnnten :

Voor zover de fysi sche konstanten beschikbaar waren ,uJerden zij gevon

-den in de Beilstein (15) ,de Kirk en Othmer (16) ,het handbook of

I

<. ( ( ( { ( (

c

o

o

7.

chomi~try nnd physics (9) en een russischn rublicatio (7).

De Qe~evens uit lit (16) zijn de moost recente en zijn weerQegeven

in tabel 5-2 en 3.

De overige gegevens ,voornamelijk llit lit (9) ,zijn verzameld in

téloel 5-4.

Ue reaktie geg8vons verkregen op laboratoriumschaal en

de eisen t.a.v. de kommerci~le fabriek.

I

r1nrierdeel ! .... -... _.-._.--_._ ... __ .. _ .. -... _ .. _-.-.-. . . . _ ..

_

.. _--.---, '~eaktor l<in8tiek srJocificatie temperatuur druk hooClte 12boratorium sch2al 250 C 1 2tm - ? 7~1

n ..

m " 10-3 1:~ m

I

inC]3n']sconcentr2ties 65 '.H:;: 125 ~~AcH

I in , , o n 1 0 ,:H 2

n

produktie butenal 250 mI/min

r~generatie 450 C

Orde in ethan;.ü 1

konversie

katalysator Ware dichtheid

18 c~ 103 .295*103 kg/m3 :-itrJrt dichthoid Porie straal / 3 kg m kommerciële fabriek 250 C

A

-

.. ~

-65 ; J H:z,25

;S

AcH en 1 0 ::~ H 20 10.000 ton/jaél.r /.50 C 1 8 ~; r 3 ,3 .0*10 kg/m .Lt*103 kg/m3 Bron (2) (2) (2) (2) (2) ( 2) (2) (3) (3) Akzo .l\kzo I

I

, r :::: 100

R

(~) . _. ___ . _ . _______ .. ____ ...2.. _ _ _ _ _____ _ . _ _ __ _ _ _ -'-_---'

T"b81 5-4 Fysische eigenschappen van butonal ,water en watorstof uit lit (9).

/-\z.punt bij 8(~ _{C en 1 atm}

fJ butenal ,] uater

totaal Sé!Jnl3nstelling 75.2 24.8

semen:, t allin'] boveflL:18g 90. /, 9.;6

sarn2flstlèlling onderlaag 15.6 81.1. /~

ei gc!nschiJ[J _!:J<ltcr wél.terstof

f--.- ---.- .-.- - - -- -.-

._--'1

L

O.R9Otf cp

r;' _{71 • ~17 dj'n/cm}

c bij T=35 C ~~ 1 10-3 _kJ/mole ?~ 7 10-3 _kJ/mol

n .)::J. ~ o<.-t __ •

*

,

kil

\/er.n 'Jij T-=3S C f'3.5 kJ/I:1rJl

( ( ( ( ( ( ( ( ()

0

!',operties fOrtllUIG wcight me1tin~ point

bCliling point at 101.3 :-Pa (l alm), °C

density, d10

d.111

d415

d4~o1

coefficient of fxpansion per °C (0-:10°C)

refractive index, "i~

vnpor dcnsily (air = 1)

surface tensiun at ?O°C, mN/m a

absolute viscosity at 15°C, mPa·sb

specific heat at O°C, J/(g·K)

at 2.5°C<

cr = Cp/Cu _{öt30°C ;1:1d 101.:1 kPa"}

latent heat _{of fu}sion, k,l/md < latent heat. \Jf vaporization, k,l/mol

h~D.t _{of solution in water at O°C, U/mol}

at 25°C<

heû.t _{of combustion of liquid at consta}

nt pressure,

kJ/mol'

heat _{of fcrmation at 2,:1 K kJ/mol'}

free _{energy of fOr:11ation at ::!,3}

K, kJ/mol<

critical _{tempcrature, °C} critical _{pressure, MPa (nIm)} dipoie _{moment, C·m (debyes)} ionization _{potential, eV} dissociation _{constant at O°C, Ka}

flash _{point, c\osed cup, °C}

igni.ion _{temperature in û.ir, °C}

explosive limits of mixturt'3 with air, \'01 %

acetaldehyde

a 1.0 mN/m = 1.0 dyn/cm.

b 1.0 mPa·s = 1.0 Cp.

e 1.0 J = 0.239 cal (1 kJ = 0.239 kcal).

Table 5"-3Physical _{Properties of Crotonaldehydc}

density d~g, g/mL mciting point, °C

boiling point, °C refractive index nl:J·3

heat _{of combustioll, kJ/mola} solubility, g _{crotonalrichyde/100 g H} 20 20°C 5°C soIubility, g H20/100 g crotonaldehyde 20°C 5°C

flash _{point, open cup °C} heat _{of vaporizntion, J/ga}

specific heat, liquid, J/ga

vapor density (air = 1)

explosive limits in air, % by vol

a Ta convert J to cal, _{divide by 4.184.}

Valucs 44.053 -123.5 20.16 0.8045 0.7901 0.7846 0.7780 0.00169 1.33113 1.52 21.2 0.02456 2.18 lAl 1.145 3.24 2.').71 -8.20 -6.82 11867.9 -165.43 -136.40 181.5 6.40 (63.2) 9.04 X 10-30 _(2.69) 10.50 0.7 X 10-14 -38 165 4.5-60.5 0.853 -69 102.2 1.4384 2268 18.1 19.2 9.5 8.0 13 515 3 2.41 2.91-15.5 8.

( ( ( ( ( ( (

o

G. R8schriivinn vnn het nr8CRS

Het rroces ter bereidinQ van butnnal is oraebouwd uit een deel met

de reaktor ,oen obsorber spktie ,waarin waterstof en een denl van het

8thenol ~~Qe3cheiden worden ,en de verdere o~wnrking Van het mena3el

hlltenal ,l~ater en ethnnnl on 3fvalstoffen.

Hnt ~paktoroBrleelte

~Q~

(1) cls~eist dat de temperatuur hoger is

De aanvoer van Rthon~l

dan 21 Cc Na menging met de gerecirkuleerde gassen van TB en T18 wordt

het !.lengsel o~ een dru!< van 5.2 atm gebracht !.l. b. v. kompressor C1 .

9.

Pas d~QrnQ wordt uordt waterstof tce~ovoegd met een druk van S.~ atm (3). ÛO gerinQ8 dichtheid vLm uatcrstof zou end"r" het 'Joebr'ük Vi"n een

':urtc I~cnr::r.'?ssor ~ij het o[Jst;:rtsn cnmocclij!< '!12.!<en.

;J;::: 1-''JrClte!Jiss8lin'l met de [Jroduktstroom (6-7) , lJOr-:lt do voeding tot ~50 C Q~Gew2.rmd in fornuis F3 en n~2r de reaktor geloid.

Ab~crh"r ~n knndensor

08 or:'l~8rking van de produktstroom uit de reaktor vindt plQats in twee stei-~sn. All oreorst wordt do Qrote hoeveelheid watorstof en een deel

ven hc:t ettlQnal afcesch,;irJen in re~p. oen !<ondr:nsor en e"n absorbcr. i'R !<o'3ling i.n ,-jo kondr:nsor tot ':25 C (1 :2-13) vindt scheiding plaats van dG Ijckondonseordo fase VéW het gas in vat V7. l'iet gas (18) wordt

verdor van butenRl gezuiverd door WQssen met water in absorbor T8

en teruggolcidt naar punt ~. Een deel van dit gezuiverde gas wordt

gespuid (15) OM te voorkomen dat zich te Qrote koncentraties van

1'0-l atiof vluchtigs stoffen Als othyl acetaat,

'

cb,

CH

4", propeen opbouwen.

Do wasvlooistof wordt als tcp[Jrodukt teruggewonnen in do destillatie kolom T21. ~a warmtewis301ing (H9 sn H10) en koeling (H11) wordt water

VQn 25 C in de nbsorbtie kolom gebracht (22).

De vloeistof uit vat V7 (16) en de absorber (23) komon op

verschillen-do plaatson (29,26) in de dostillatie kolom T18 mot een temparatuur VQn resp. onJ2vcer 24 c:n 10n

c

.

Het toprodukt ic ~thQnRl (31) ,waarvan d~ koeling tot 21 C met freon

gebeurd. Water not de zwaro afval stoffen vormen het bodomprodukt

(35) ,waarvan de schcidin~ in T21 [Jloots vindt.

Je 2znotroo~ (67 mol.~ butonal) wordt ergens boven voedinQ (29) afge

-tapt (33). ~~ ~oeling (34) vindt

~

'

rnixer

-

~

-

~

'

ttl(3r

V23 een scheidinf)

-

'--""' ~

laag ,het proDukt (/j3) ,en een waterrijke

( ( ( ( ( (

o

('>

laélf] ,die I'Jordt t8ru:;sevocrd na;]r kolon T18 (32).

Van hd wat,::r d3t .:üs topprodukt (37) uit toren T21 komt ,vindt na koeling

(37-

30

)

een splitsin~ plaats in een refluxstroom

(39)

,een

stroom di," fJ8VornrJ Idater afvQnrt (41) en wClsvloeistof die naar de 8b

-sorber teruggaat (~O).

Het bodemprodukt bevat de z~cre afvalstoffen.

Rcwoneratie

Uaterstof ~ordt in fornuis F3 opgewarmd tot 450 C en door de te rege-10

nereren re2ktor gevoerd (8). Het verontreinigde waterstof uit de 1'2- ( aktor gaat naar het stooklj3snet. (Alternatief door absorber).

---Jij hot OQ2té,rten ven do fabriek is hot \Jan belang dat men tijdelijk '-Î

2Clnzü;nlijk meer voedinlj ,ethenCll ,wat~r en waterstof ,ken toevoeren. (

Cm dG~kti\J8ring van de katCll yGator tG voorl<omen ,zal ethanal pas toe

-sevoerd kur.nen worden als in de reaktor do juiste water en waterstof

kondities heersen.

Het in w8rking stellsn van de absorber en de dostillatiekolommen

ver-eist 03n ~rot8 toevoer van warmte en water. Dit kan worden opgelost JOOl' lélIJ8 druk stoom na punt 26 in het systBem te brengen.

( ( ( ( ( ( (

,

C'

10

0

11 • 7. Proceskondities 7.1. De Reactor

---

2l-

---~

ClJ

...,

-.-; ::> -.-;

...,

u QJ r l QJ ~1

In de inleiding is beschreven, dat de reactor invoerstroom verdund

wordt met waterstof, wat de selectiviteit van de katalysator gunstig

/ '

beïnvloed.

Op dit moment vindt niet alleen een verdunning met waterstof plaats,

maar ook met water: 10vol.% van de totale ingangsstroom. Dit is

een hoge waarde voor een evenwicht, waarbij men het evenwicht

zoveel mogelijk aan de butenal(water) kant wil hebben.

Het waterpercentage blijkt nu de volgreacties van het butenal

te remmen. Gedacht wordt hierbij aan een bezetting van de actieve

plaatsen door het water, waardoor een"concurentie strijd" tussen:

ethanal, butenal en volgproducten ontstaat, waarbij de meest

voor-komende, het ethanal, de voorkeur krijgt. Behalve een betere

selec-tiviteit, is de veroudering ook minder, omdat volgreacties minder

optreden (2).

In principe is de omzetting lager geworden door het toegevoegde

water. Dit valt wel mee. Bekijken we figuur 1 en 2, dan wordt

,i 11

dit meevallen duidelijker:

65

-

-

-

met watertoevoeging

~

zonder watert oe voeging

1 OO~b _{met waterg}

-

- .~ -.-I

...,

_...,

Ol N E 0 18 -

-

-

-15 zonder water 1'5

18

20

omzetting(_{;..;""..;c....-_ ....} ;;;) tijd (hr) • figuur 1 figuur 2

( ( ( ( { ( (

o

;0

I

r

Wanneer geen water wordt toegevoegd start de reactie met een

hoge conversie (65%) zoals uit figuur 2 blijkt; maar de

deacti-vering van de katalysator verloopt uitermate snel.(15%

conver-sie na 20 uur). Deze deactivering van de katalysator wordt

toe-geschreven aan de relatief hoge concentratie aan volgproducten

(lage selectiviteit dUs), die de poriën verstoppen en het aantal

actieve plaatsen doet afnemen.In figuur 1 kunnen we dit zien waarin de slechte seloctiviteit bij hoge conversie, bij geen toevoeging van water zichtbaar is.

12.

In figuur 2 ontstaat na 20 uur een knik irjde conversie-curve, waarna

de veroudering van de katalysator veel langzamer verloopt.

Ver-moedelijk zijn de poriën van de katalysator ~edeeltelijk gevuld met

volgpro-ducton. De omzetting is gedaald naar 15

%

,

wat de selectiviteit

sterk ten goede komt. De grafieken zonder water zijn getekend

voor een stroom, die bestond uit 90

%

waterstof

'-.., ,1\

,.rl~

t)iBe grafieken y .1" VL ,~- stond uit 10 en 10

%

ethanal.

--met water zijn getekend voor een mengsel, dat

be-%

water, 25

%

ethanal en 65

%

waterstof. We krijgen

--,

.

~ \

t

Y '"

.,.Y" . \.~ IE

'trf'

dan de gestippelde lijn in figuur 2, met een selectiviteit van

nagenoeg 100

%

.

In figuur 2 zien we een lichte daling van de

omz8tti~g van het ethanal in de tijd, een veel stabieler proces

(2,3)0 Toevoeging van water heeft nog andere voordelen te weten:

1. Er is minder recirculatie van H

2; de verdunning met H2 is minder geworden t.o.v. de verdunning met waterstof zonder toevoeging van water.

2. Het gas is zwaarder geworden, waardoor een turbo com-presser gebruikt kan worden (zie 8.3)

3. De gevraagde produktie kan constant gehouden worden, ondanks de veroudering van de katalysator. Immers het water kan vervangen worden door ethanal, waarmee ondanks de _lagere omzetting, de zelfde produktie gehaald kan worden. Het proces is om deze manier te regelen. Oe onder-grens van dit waterpercentage wordt bepaald door de damp-spanning van water in het recirculatie mengsel na de ab-sorber.

4. De absorber hoeft niet onder druk te werken, om bij een

waterwas een zeer laag waterpercentage in de recirculatie

stroom te hebben, zoals dit het geval is bij een watervrij '

c

( ( ( ( ( ( ( Cl

o

13.

8. Keuze van de apparatuur

8.1. De reactor

Om vanuit een laboratorium opstelling tot een produktie van 10.000

ton butenal per jaar te komen zijn schaalvergrotingsregels nodig.

Bedenken we, dat het volu~e van de laboratoriumreactor 4 mI is en

dat van de commercigle fabriek in de orde van grootte ligt van 15

m3 , dan is hier sprake van een schaalvergrotingsfactor van 4 106

De laboratoriumreactor is een buisreactor, die zo gedimensioneerd

is, dat er sprake is van een ideale buisreactor. De katalysator in

de reactor is zelf vervaardigd. Deze katalysator heeft niet de

structuur van een gebruikelijke industrigle katalysator; er treedt

~ L } \ Knudsen diffusie op.

'";r-' \):

r. '- ../ _{Voor de commerciële fabriek wordt weer een buisreactor genomen, om}

4 redenen:

1. Continue bedrijfsvoering

2. Volume van een tank is bij dezelfde conversie groter dan

een buis (4, pag. 4-2)

3. De reactie warmte is ongeveer nul, de buisreactor werkt

'}<2.:=n

isotherm. Er zijn temperatuurgradiënten over de reactor.

4. Er zijn minder valgreacties in een buis dan in een tank

" ~

(4, pag. 4-8)

Schaalvergroten maakt gebruik van dimensieloze kengetallen, die ken-merkend zijn voor het systeem. Deze kengetallen vinden we door na te gaan welke grootheden een rol spelen in ons geval. Deze

groot-heden zijn: v,F, ID , W,D,

L,

k

i1'" CA,o'

~kat ~ ~

stort' k g' lOl

e

(voor de betekenis

,

zie de Qijlage 1-5 )

Uit deze grootheden worden 9 dimensieloze groepen gehaald, te weten: 1.

_~

4. Da 2 ~ '.I"~\ \t>'

..

,,,,~ ,~,1. 7. (1-E)

2. Ba 5. oa 1 8. Bi

3. W/FXkrCA,O/estort 6. o/J_ 9. Pe

Wanneer deze groepen voor het laboratorium geval en het commercHUe

geval dezelfde waarden hebben, duidt dit op gelijkvormigheid. Op

deze manier kunnen regels vastgesteld worden, zonder dat er beschikt

wordt over eeh oplossing van de balansvergelijken (energie,massa).

l r ( ( ( ( ( ( (

o

In de praktijk blijkt het onmogelijk te zijn, om alle

dimensie-.'

---loze groepen op laboratorium- en commerci~le schaal gelijk te houden. Daarom moeten we nagaan welke groepen voor die geval het belangrijkste zijn; we moeten een regime bepalen (5). Over de groe-pen kan het volgende meegedeeld worden:

Groep 1

Voor de omzetting geldt, dat deze voor laboratorium geval en com-merciël geval het zelfde moet zijn.

= 18 ~~ (8-1 )

Groep 2

Het Bodestein getal speelt bij een lage omzetting niet zo'n grote rol

(4,

fig.

6-5).

Zelfs bij Bo=O leest men uit deze

fi-guur af dat de verhouding tussen reeël en ideaal volume 1.2 be-draagt. Bij grotere Ba daalt deze verhouding naar 1. Dit geldt _

tevens voor groep 9 het Peclet getal. Groep 3

Groep 3 is een maat voor de chemische gelijkvormigheid en erg belangrijk:

(

W

f x x

k

r x

CA! 0)

~

stort lab = W x k r x CA 0 t F x

E>

stort cam

(8-2)

Groep 3 moet wel i~ direkt verband .gezien worden met de groepen 4,7 en 8. Deze 4 grpepen geven aan hoe de doorstroming door - en de structuur van de katalysator gerealiseerd moeten worden. Bij 250 C geldt voor groep 3 ( zie tabel 5-1).

(k)

_{r lab}

=

(k)

_{r cam}

(8-3)

en ( C ) _{A,O lab}

=

(C _{A,O cam} )

(8-4)

of wel

(; x

P

s t o J lab

~

(f

x

f

s:ort ) com

(8-5)

Oe groepen 4, 7 en 8 :

Deze geven aen, hoe de eisen liggen voor de industriële kataly-sator. Allereerst groep 4 :

l ( ( ( ( ( ( (

o

·0 Dit levert m.b.v.

(8-3):

(8-7)

Groep

7:

(1-E)1

_a b=

(1-E)

_cam

(8-8)

n.b. Hierbij is

E

de bedporositeit, niet de katalysatorporositeit

Getal 8: Bi = (k _g x L/D _{e a} )1 b = (k _g x L/D ) _{e com} (8-9)

Uit (8-7) volgt dat rn in de commerci~le fabriek groter

ge-e

maakt moet worden. In de laboratoriumplant treedt op dit moment

Knudsen diffusie op.(BI-1) Veel verandering bij de:hogere com. druk

in de ® door structuur veranderingen in de katalysator zal

mis-e

schien niet optreden. (4, fig.

10-6)

De bedporositeit is meer van belang voor de drukval in de reactor

dan voor de aard van de katalysator.

Het Biot getal geeft aan welke limitering kan optreden en bepaalt

daardoor de structuur van de katalysator.

Groep 4,7 en 8 geven aan met welke "eisen" men op een fabrikant

van industriële katalysatoren moet afstappen.

15.

Gebep 5 en 6 geven aan hoe geometrische gelijkvormigheid moet plaats vinden.

IJ'roep 5 Da

1

= (k _r xL/v)

(8-10)

met

(8-3)

levert dit _{(L/v)lab = (L/v)com}

_(8-11)

Groep 6 : _{(O/L)lab = (O/L)com}

(8-12)

Deze groepen zijn minder belangrijk. Bij de behandeling van groep

2 is al aangegeven, dat de vorm van de reactor bij lage omzettingen

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

8.2. Oe scheiding van het reactio ~rodukt.

Nadat het reactie mengsel de reactor heeft verlaten, zal een

schei-din~ moeten plaats vinden om twee redenen :

1. Een grote hoeveelheid waterstof en niet omgezet ethanal

wordt gerecirculeerd.

2. Het butenal moet"verzameld" worden.

Er zijn twee fysische scheidingsmethoden hiervoor onderzocht, te

weten koeling en absorptie. Deze worden hieronder behandeld.

Koeling

Het verschil in kookpunt tussen waterstof en butenal is ongeveer 350 C ; het verschil tussen ethanal en butenal ongeveer 80 C.Een methode, die dit verschil in kook~unt benut is koeling. De produkt -scheiding vind dan plaats door het ontstaan van een gas- en een vloeistoffase.

Het nadeel van koeling is, dat grote hoeveelheden inert (waterstof)

moegekoeld moeten uJorden, om vervolgens in de recirculatie stroom

weer opgewarmd te worden.

Na warmtewisseling, gevolgd door koeling met koelwater is een temperatuur van de effluentstroom uit de reactor mogelijk van

on-16.

geveer 25 C. Er blijkt dan nog een veel te hoog percentage buten al in de

recirculatiestroom te zitten. (SIII- 5) • Dit percentage heeft een nadelige invloed op de omzettingsgraad sn kost produkt.

Om tot een aanvaardbaar percentage butenal in de recirculatiestroom te komen, zal dieper gekoeld moeten worden. De kosten verbonden aan zo'n extra "koude" installatie, indien niet vooradig en de noodzaak de ~rote gasstroom weer op te warmen maken diepere koeling als

schei-dingsmethode vermoedelijk oninteressant (economische vraag).

I\bsorptie

Een fysische scheidingsmethode, die gebruikt maakt van het verschil in oplosbaarheid van de componenten in een oplosmiddel is absorptie. Het nauwelijks oplossen van waterstof in veel oplosmiddelen, is een

extra aanbeveling om absorpti e als scheidingstechniek te gebruiken.

( ( ( ( ( (

o

o

(î 17. hebben zijn

1. Oe absorptie van de gewenste component moet selectief zijn. 2. De oplosbaarheid van de gewenste component moet groot zijn.

3. De dampspanning van de absorrtie vloeistof moet laag zijn. Absorptie vloeistoffen, die butenal kunnen absorberen zijn o.a. :

1. Water

2. Ethanol (grondstof voor de bereiding van ethanal). 3. Ethanal

4. Furfurylalcohol

Alleen het systeem butenal-water is in de literatuur redelijk bekend.

Hoofdreden om water, als absorbtie vloeistof te kiezen. Water

voldoet slecht aan de boven genoemde criteria. Prettige

bijkomstig-heden van het water zijn :

1. Er wordt geen nieuwe component geïntroduceerd.

2. In de reactor influentstroom moet een bepaald percentage water aanwezig zijn. Dit influent is o.a. opgebouwd uit

de recirculatiestroom, afkomstig van de absorber. De damp-spanning van water is dus niet bezwaarlijk, zolang deze het

benodigde waterpercentage niet overschreidt.

Bij het gebruik van water als absorptie vloeistof bleken na bereke-ning (0111-1 tot -3) grote hoeveelheden water nodig te zijn. Deze

grote hoeveelheden vereisen in de verdere uitvoer van de commerciële

fabriek grote energie stromen, die de commerciële realiseerbaarheid

twijfelachtig maken.

Op de volgende pagina wordt een produkt verwijdering stamboom gegeven, die de stappen laat zien, die ondernomen zijn om een aanvaardbare schei-dingsmethode te vinden. Er zijn een aantal onderverdelingen gemaakt

1. Verwijdering enkel van butenalof van butenal~ethanal.

2. Koeling, totaal of gedeeltelijk.

3. Absorptie met water of een ander oplosmiddel.

Al deze mogelijkheden worden behandeld in de bijlage BIII. Zoals bo-ven aan de hand van de bevindingen opgedaan in deze bijlage is uit-gelegd, bleek ~een enkele van de voorgestelde mogelijkheden het

ge-wenste effect te hebben. Er is gekozen voor een samengestelde

~ _"""" ---'

8

:J

I ) ,-.

"'"

,....,

""

,

'"

Produktverwijdering stamboom

~

..

_

_

L

_

_

. ___

._

.I..

butenal en ethannal ,---~- '/ butenal

--_._

-t

--1,

_L

₁

b t 'e -\ - 7

a sorp ~ _ . '. t--t(.;-" ~~J-~~ '- ~~ koeling absorptie

. _ _ .--I

Ir

f

J

fj

t

;

"

v4-'-

-

_.~

\~,",-i--

~

'l-

L

--1

,~/",IvZ..

met water,zeer anders dan water

veel water nodig.

*

Grote stromen water

in d~commercHne

plant

x

x

totaal, kookpunt

van ethanal bij 1 atm. is 25 Co Er moet erg diep ge-koeld worden.

T

<./..""-J

x

UITEINDELIJK KEUZE: GEDEELTELIJKE KOELING

GEVOLGD DOOR WATERWAS

*

=

geen gegevens X

=

niet uitvoerbaar gedeeltelijk kan, maar het totaal, voor een aanvaardbare

damp-met water anders dan water

"*

percentage butenal spanning van in de recircula~ie butenal moet er stroom is te

h

~g

lager gekoeld

wor-·:-î

) /

...

....

don, dan de

koel-watertemperatuur.

"(

\."\~

..

.

x

..

x

r zonder interne terugvoer met interne terugvoer, re~

,

---gaat wel, maar produkt-: circulatie stroom bevat te

te verdund in het water veel butenal

---

X

\

c

1...~/1A."- X V liVv{

L

~ t"'7' .", t..I."",,"~.' vJ,~ ~

....

-> :n

•

( ( ( ( ( ( (

o

o

o

o

8.3. De compressor.

De compresscr, die zorg ~raagt voor de reactor doorstroming en de recirculatiestroom uit de absorptiekolom is evenals de eerste

schei-.

---dingstrap, behandeld in

8.2.

de IIbottle neckll _{voor dit}

fabrieksvoor-ontwerp. Deze "bottie neck 11 komt voort uit de verdunning met water..,..

stof. Het debiet, dat de compressor moet samendrukken is 5.5 nm3js Voor zo'n grote gasstroom gebruikt men in de praktijk een turbocompres-sor.

Een turbocompressor is niet geschikt voor waterstof. De aanwezige an-dere gassen (butenal, ethanal,water) maken het gas zwaarder,waardoor een turbo misschien mogelijk wordt.

Er is met de firma Geveke Werktui~bouw b.v. te Amsterdam telefonisch

contact ge~J8est over een commerciële compressor. Aangenomen werd

hier-bij dat een gasstroom wordt samengedrukt, die voor meer dan 90 mol%

uit waterstof bestaat. Dit met het oog op een eerste scheidingstrap

(

8

.2.),

die om alle butenal te verwijderen ook een aanzienlijk deel van het aanwezige ethanal en water zal verwijderen. (tevens de gegevens in september 1979). TelGfonisch werd mede gedeeld:

"Een compressor voor een debiet van 5.5 nm3js bij een aanzuigtempe-ratuur tussen 30 en 50 C, gaat niet met een turbocompressor, daar het

gas te licht is. De uitvoering moet dan een zuigercompressor worden. Na overleg met de constructeur van dit soort grote compressoren, Peter Brotherhood limitedll _{bleek deze compressor, niet in hun} standaard-pakket aanwezig te zijn en moet deze compresscr speciaal voor u ont-worpen worden. Dit wordt een dure zaak, die afhankelijk van de druk-val mi~schien wel in de orde vanf1 miljoen kan komen te liggen. U kunt beter kijken of er geen andere manier is.1I

Dit advies nu, werd eis voor de eerste scheidingstrap; verwijder al het butenal, maar laat zoveel mogelijk ethanal en water achter, opdat de recirculatie gasstroom niet te licht wordt.

lIJaneer dit gas niet te licht wordt kan een IIgewone" axiale turbo

com-pross~)~ gebruikt worden, die geschikt is voor deze grote debieten en deze niet te grote drukverhoudingen. Hiervan is sprake, omdat de turbo alleen voor het rondpompen moet zorgen, niet voor een hoge druk. Oe

( ( ( ( ( ( ( (

o

20.

Nu blijkt, dat bij de definitiof gekozen oplossing een condenser ge

-volgd door een waterwas het recirculatie gas een molecuul gewicht

heeft van 1 0 ~Jlil,. (5 maal zo zwaar als waterstof). Komt hierbij alle

ethanal, die gebruikt wcrJt voor de omzetting in de reactor dan is

het molecuulgewicht van de damp 14 ~,iets lichter dan methaan).

De turbo compressor is dan ook in het flowschema gedacht na de plaats,

waar ethanal in do recirculatie stroom komt.

' \ ' _I,~r,-.J ' .l

',-( ( ( (

c

c

o

21.

G.4. De d8stillntie en riB mix~r-s8tt18r

~utenal uit de absorbor on de kondensor moet Qezuiverd worden van eth~n21 ,uater en afvalstoffon.

Over de vloeistof-Q8s evenuichton van het men~sel van deze stoffen is I'eini~ IJrk!:nd. :JcéJron h8[lerl:t hot vooronhJ8rp zj ch op dit fJunt t~t een ~~ntal kualitatieve uitsprnken en is hior niet verder aan gerekend. Bij d2 tenparatuur van de hoturoazeotroofJ (84 C) onstaat naast ont-menging een Q8bied waarbij de vloeistoffen L

1 ,L2 en Qas naast elkaar

voorkomen.

ErQ8ns in de kolom is dit van invloed ,doordat punt a (fig 8.4-a) , de s2monstellin~ van de gasfase ,op de bovenliggende schotel uiteen-valt in een gasfase b en 2 vloeistoffen c en d (fiQ B.4-b).

Do tern~üre fi~uren van het systeem butenal-l!1élte r-ethannl bij a. 84 C on b. eenl lager dan 34 C.

Ucze vloeistof (c+d) wordt ofget~[lt ,gekoeld on gescheiden in een r:ü:<er-settlFJr in Ren butnncJlrijke stroom (70 mol;~ butenal) en een uaterijke l aag (5 mol,; butenal) • Deze l2i3tste wordt naar de kol om

Tabel 8.4.1 : De Qroott o van de stromon in en uit de mixer- settler V23 in mOl/se

'Jtloom in L

1 L? butr.lllal °i.69 n.19 5.::i0

\')[1 t or 6. 42 Ij.06 ~.36

tota"l 1 ~ .11 (f.25 7.86

H8t hodenprodukt bostnnt uit wntor en ~fvalstoffen en hot topprodukt uit eth2n2l met oen Qoringo ho~veelheid opfJ8lost loJatorstof (0.003 ClDJ.,;) •

In <,;en tl1Jf:?ode destillotiekolof;l (T21) lûorclrn ItJntnr on Gfvéllstoffen

van 811~2ar c;cschnirlen. Hot uat er dat élls tOfJprodukt ,uit do kolom komt , wordt gcrocirl<ul cerd naar rie ahsorber. Een kl oin deel dat bij de reak -tie vrijkoClt (3.1 ~ol/s) wordt afQovonrd.

l ( ( ( ( ( (

o

o

o

22.

VOr\'J2rkin'] V;1n de "fvnl"toffrm is voorelsnor] pen niet opgelost flroblnem. Hei: nctroft hier hoC'vr!elhorlen in do orde f]roottn van enige hD:lderd~

tonnon [lel' JOGr. Do te volrJen werkwijze is afh2nkelijk van de

inven-t8risotio v"n hot soort stoffon on de hoeveelheden daarvan.

Dl? !:c:t .. lys"tor ["lont ;;c:r.i.odick lJorclJsnorcorrj uorrJcn r:1ot \·12tp.rstrJf.

D,:lQrbij !lont non denken 22n oen tijdsrlu1lr in de orde grootto Vi:n een

nc:onc!. T.h.v. de kontinuït2it is daarvoor een wisselr32!<tor nodig.

Or.dot do rCf]cnorc:ti.8 p122ts vindt bij I~SO C is h8t niet onmogelijk

het uat erntof afdoende op te warnen met hOfJe druk stoom. Dit maakt het neodz3kelijk gebruik te maken van lJon fornuis ,waarmeo non tevens

J

o

A pparaa tsTroom

,

Componenten

l!JO l:F~r;-; t of "th.,n21 l·!;:,Jtr!l' hl.ltcn.'ll

Totaal:

Ja-Apparaatstroom

,

Componenten

WCltC'l''3'.:cr cth2nal water butenQl

Totaal:

M

in

kg/s

Q

in

kW

o

:)

n

M

Q

-

-0.51·04 1.

:n

6.C:3LC ~i'7 • /,fj U. W:ióD O. :3/1 '7.3992

so

.

n

o

:)7

M

Q

'7.1[92 7.1llCJ2

"

,...,

('"\ '1 30 :31

M

Q

_M

Q.

M

!.l il.l!iJi iel I).lj: j n _{- 3.:··:>~} (J.

rJ

n

0.11 :J/i [J.011, l j. 3f)Cl[J O.(ViG J • îi ~i 1 '~ - 3.?; O. ~)1 t,:2

.

-110 /11

M

Q

M

Q

_M

7.1:.13/1 [J • Wi:] f: D.0 1132 O.3fl50 7.133/, [Jo[J558 0.1_,2/16

Stroom /Componenten staat

1'""\ 1'""\

,....

33 ~rl

Cl

M

Q 2 r~. :5 7 ?1' C:~ ~)') I, "':'. (1 70.,C,? ~:.1r. Ijl: 7.1 [',iJ/. ~)/~~.5 113

Q

M

Q

, I r" ':::J • ~ ,'"5' s') ',') )) :il :J .'J t-j ::J :T :J ::r ;:J f-' :J :J ~) ':J :J i~ 'Jo ~) cT .ïl :J :J :J :l rj a Cl Q :.1 VJ n ::r :J :::J :lJ N L-.J

•

----

---j

o

ApparaatsTroom

,

Componenten

t:mtnrs l:of r.th?nnl tJctr.r hut ~",., ~

Totaal:

~

Apparaatstroom

, Componenten

liJat c:r ~ t Cl

r

ethnnaJ !;!:JtfJr butenal

Totaal:

M

in

kg/s

0. in

kW

o

8

1

M

Q

n./!D/I - 2.73 O./:F:/I - 2.73 16

M

Q 0.1408 0 0.3996 0 0.329 0 u. UfJ~h U

"

n

_"

/1 _{1 Ll}

M

Q

_M

Q.

[]. ~~ Î h ' j [1. "i 1 i' i! 111' ,r 1 I I 2.fi0?n ') ( \ I ' ) (' _{Cl [J:' • : . ~~} (l. 11 ,~p n. /·/'1 "r' rJ _ (,fJ [l. rln1 .', l"I.f'll1 ij rl. ~. ~I 3.1314 3.!:53Li :~17[) .~

...

.

17 1f

M

Q

_M

_Q

[J.312",

n

0.311;/: IJ 1 .5b76 0 2. lJ(')[,

n

0.1 'I (JS 0 (J • 1 1j[.J 11 [J 0.001 ti 0 O. (LiG [J 1 .-S' r:J D /' LJ /'. J<!!.U IJ 1'"'\ .1'"'\ 11

M

Q IJ,,~.51 IV! 1 [J~(). :)G

;(

.

nw,:~ 7/1':'",.1;7 0. S/in ~i: ~. (,~~. 0.38::) 1:J1.:,G 3. 11 '..in 2?12 I(O;-ü liJ il t r; r

M

Q 6.8112 ~~ ~ I: •

:j

"'"

13

M

(1. 3~f"·'1 ? ~nr:r: Cl ".', n n ':(.;)r~ 3.1, :, ');J 77

M

6.8112 fi.R11:~ ,...., f1 n fl n r1 fJ 0 Q Q

I

,... N ~

Stroom /Componenten staat

---l 25.

IN

Voor-waarts

Massa -en

Retour

UIT

Warmtebalans

(

_M

M

Q

M

_M

Q

Q

Q

O.L:'::/l - :2.73 (

-(2)

r--[,th;on.::.l

,~

~-~~

?

+-~---~---.

1----/1'd---, - - 1 • I) 9 6 2

~

ö---

~----.:

[J

~---J----t---I

[1 ( 1---j---t-₃-.-j

:-

3

1

-:

/~

~

~

- -

~

- - - -

--6

(

c

~~---J---t----ï

F3

~----j---+-

1

-.-

~

-

~

3

-

6

~

~

- - - H! ?170 (

c

'r n n 1, . .., t. re> r . .r-, -'" ~ ... Hó

o

'Il ~---~f---___1r----1

(

r

( (

c

( ( , ( .

0

( ~ .e _'. .~. ,

:, ",' .'~ ,~~, ' _{, , . : '.~~~.;:' :., .... ;~:'.ii,./:('.;f*.::;:i;;,.,.(;.~.; ,~·::·,.U ;~".}

~ 4:. J~ <~ I --. V7

-[J. hó9/~ ....,

--

@ ,

-î

G ? .... 5CJ~r3

--

- - - - r: f.' 0 1.9962

~

__ 1-0

-

--6.G112 _{- - -}

---~

- - -

- -

. , "'J [J TB

"

lP.

---~

7.39S1:~ I -~~.L ~ ,r-, ~

-T1i3 .a. C.:~1 :'::(

- - -

_~~

" O(~ q/f .' ,_ • - ' " - T 7.133/! I, --. I~ 7.1::;97 3:j

--

-

-

-:~',~/i 6 • .:J "I-' 0.0558 ~ ~ _ij water ' ~

-T21 - -,~ ~17

--,-l'

l-. afvijl 112

-

I r-, V 0.42 /16 O.DH6 '123 " Ij ,J 3. tJroduk'

-.ei "l ~

Ta

_{t a}

_al

~

Mássa in kg/s

Warmte in kV!

Fa bri eks voor ont werp

.. I _ -,:" ... :,:,·.I·'~'.' ',',' . . 26. I ,

.

I

I

~

r i

1

!

r.

r '-r '-r ...

r

Apparaat No: Benaming, type ,"bs. of eff. 1{ druk in bar temp. in oe Inhoud in m

3

Diam. in m 1

_/

h in m 'rullir:g: ~ schotels-aant. vaste pakking katalysator-type - " - vorm bruiken mat. .l- -::an,,2.1 serie/parallel V.:1st bed r83ktor8n p abs 3.7 2tm 250 C 1/'+.35 1e~O '1 < 1 2 x Ti op 3i U 2 staafjes p.:1rallel \17 TB

Vloeistof-~as Absorber

:;fscheider p abs 1.{~ atm 25 C

-1

-p abs 1 atm 25 C/27 21.3 1.65 10 25

-1

-kor.ling wezig T18 Destillatie -kolom o , 2bs 1 atm C 21-100 C

-1

-aan

-*

aangeven wat bedoeld wordt

27. . T21 IJestillatie -kolom p abs 1 atm 100

-1

-C

I

I I

I

I i !

!

j

(

28.

( Appara?t ~T (') : V:23

Renamin;r. r'li:<rlr- set t 1 ()

type ( ,~bs. of eff.

*

p ~~b!) druk in bar 1 2tm temp. in

oe

70 r

-

'-( Inhoud in m

3

-Dia!'!1. in l!l

-( 1

/

h in !'!1

-',rulling:

*'

schotels-aant.

-vaste pakking

- katalysator-type

-(

-

,

,

-

vorm

-·

...

·

...

.

..

.

..

·

...

.

.

. .

..

.

.

.

( Speciaal te {! e-bruiken mat. aan.tal 1 serie/pa!'al:e~

-o

29.

~rE~~~!~~~~j~!_~~~~_~~~~!~~~~~~~~~~~~_E~~~~~~~~

(

Apparaat ~To : F3 116

fJ i j IJ cmf ornuL

1enamin~, rGuktor- . kondcmc.or

( _type voedinC] re2ktieprodui<'

:'!edium ;tG3ktor- Re2ktieproduk

( pijpen-/ vr.;Gdin~/- /koell:!élter

r:antelzijde Capaciteit, uitgewisselde I ( _{warmte in} ~"'.

I

',-'ar:ntewi ss elend ₁ onpevl. in m 2

( ':l.';>"'tal _ . ! ~a~all sp."'-'ieel /

I

1 1 _I

Abs. of eff. =t: p _2bs P _abs ,

! druk in bar

q

.7./-

?. /~ /

-/

! pijpen- I, ( " r:antelzijde temp. in

_/

uit in or, pijp~ijè.e -~25.o

5U

f5

-/- ~o

-

, i mantelzijde , , Speciaal te ge- , I

I

b"rl.li:':2n mat.

I

_I

I

,

o

I

o

*

aaneeven wat bedoeld wordt

' )

u

ETHANAL WATER -(2) .. . U I Cl '

-~

TERST

'0-I

I

<2

I

rf

t

'}'

f 'l } "" 7

*

,

~

,.

,

u

, 1 ,

,

"oo.~~

l

:o~)

H

10·

_-

"

-- ) '28

~

) H11

-- 22

K".lwoter

~0r

- TE

. t

t

=-~

-'

H2

,

"

,

1

2

$tu'.n I I H '

.

..

- "

(

(

,

-~

,

"

?

-

r

~

~ ~

__

[

_

~-11

.

Hf

)~_

.

:

r

@'}(~('~

" , 25 1fl ,

f

---:

r'

,

'c:

[~

~;>9

111-r

'

f-

--

-

-i

:. ~ __ I

8

~'

[::;"~

"

q

~

-

---

)

H 15(

'

p

'

F""

")êJ

[

_cr

J

(

;.)

I . .

I

(

..

-,-

1 "

~

I

"'

,

1

I

I

:.k

c-

-

~.

b:'-"c,

-

=]

<j,:; " .' ',':;

l

_

_ ,_"

L

1 = ' ; , '.

H'O~

__ F3 ,

'

_-+-84 H JO)

1

1-H9J-f

P17 T18

H131

1 ...

"

'

I'

, \ " ~ ( 34

H20

0:-- . 0:-- /

-,

P 25 r'l P24 ZWARE PRODUK T[N .. (.iî)..._ 2-8UTENA L ~43

)--~~~

~~

? ~

"~J

"'j

t

_

__

__

_

'z: ~---4(32)r---~ Cl ~2 , 3 R4

r,.,

~ ._---'-< ~

"RE': r:l:--GAS joU"PQ~SSOR I.~ Df.'T [/.'':.iSE~ t.,,:..q '"OQULJS RlSff.(PAT,[· QE.A.~TOQ ~EA,.-;~q CO.DEr.~"')n

I

V' T8 H9

L

~;~ 111,;'>

\Il...OEIST('l""-G,A~ Ar~~IEIDER

AB5()RPltE KCt0f'..A Wf.RMTEWI55EL,AAR \,l.J"RM1fwIS5ELAfloW KOElEFo' JQSfh [RWAnME R

----"-

-J

H"J 1.'·\ fl'J' TENI SSELA ... \R PM pr), __ p

t~l<) '1i·\I~r"qEWI5S[L "'AR

P16 ,...)fAP

P17 f'Y·1P

TTe U[~TIl.1 AllE I<.QQM

--_.- - - -

W

---"'<) CONDENS0Q H.?O I.?fEDllER T 21 Dr:;!JllAJIE KOLOM H.?2 GTf-Y.'IIlER \23 \.1.";T HST SCHflDrR P24 f-\)MP P 7., POMP - ---,

PROCESSCHEMA VAN 2-BUTENAL VOLGENS

HET GASFASE-PROCES

H J He,~rU~,. meoo 1980

; S 5peet50

1

0

Stroomnr

0

r ... ", ,n C

0

AO. dr"" ,n Olm

J

N '0 CJ

•

r '

( ( i\ i\cH :Jtn b ( 8 Bi 30 C ( C n,o Cl"H c [J C1 ( Cd J llé (

i

\

l)<l I :JE IJ F F ( F3 G G

c

g(Ci.'.J) G H H H

o

:3 h k 1" K fJ k

o

IJ k l L L L

OVOl"loopl"andlenQte

aiot~et3l

=

knML/W~

Bodenstcin Qetal

=

vML!D

1

concentratie

concentratie 2an ethanal in de in~anQRstroom

2- butenal

warmt ekapaciteit bij konstanto druk

cor7FJl"8SS0r

door~troom co~fficicnt

~ff -: i:t. i CV8 di ffusi2 cor~f'1' i.ei :-:mt

')c.nköhl el" ']et21 I

=

:,

ML/ v

1" ')

Damköhl~r 'jBt21 11

=

k ML/ (Q )

-r

Vri~8 ruimte op de schotel

Inr2ande stroom ethanal

Fornuis 9381'358

totaal gewicht katalysator

gewicht

nassasnelheid gas

Henry co§1'ficiant

entheüpie

schotel.::1fstand

vlo oj_ s· t ofhoo!]t 0

rCi1ktiesnelheidskonstonto

stofov8l"d1"achtskoëfficient van d8 gasfas8

Eenheid nol/liter mol/liter J/molMC ? [11'-/8

7/

m s ? ? m--/n-nOl/hl" g1" atm J m mm Ç(konc)/s

mis

mi

s

,tcfn\:r~rrjri1cht~!·:oëff5.cient van de vlooistoffase

mis

m

vlooistoffilse

[ ~ vnrdclin~oco~fficinnt ~ ~ v~rdDlinc~co~fficiont 3 nm 'J I P G 3 nornaaI m toto;lldrui: r rntia I' P R s reaktor sekondo T tc:::-,:,n u v

v

u

S2nonctslllng vlocistoffoso

y so~onstclling ~QSfaSD

~ (toost~nd 1 -to8stand 2)

o[)pr:I'v12!<te s[J2llninl] ;JOrositoit

onzC'ttinC)

3ktivitoitsco~fficiDnt

massastroom

nol:::n3troom

dy~2mischn vinconitnit

f~ chonischn rotontiaal

~

f J.OI'J[) ar E1nct er !\ l:Jillokourir;e stof A l\cH othi3naJ. 2Z 2Zo.otroop 0 \'Jillr;kclJr icc ntof F3 'Jr/nol 3 m atm nm 5 C cf ~<

'"'/s

rn./s

3 n c1yn/cm mol/s cP 31.

32. ( b kokr?nd c kT.' i tü:ch cor;] commcrcidH ( CrH butoll3l G ÇJ3sf(1~G komfJonont

I~at I,QtDl )/~ator

L vlOlüstoffas8

C leb l<1bo1'2toriUrTI scha~l

r.l mcn'::88l 0 bij P=rJ 0 zuivere komponrmt ( porie pori8 rr:c rPQr~. !'G2C rsaktor l' '::;8I'oduC08I'U (

-

schotc.l sc 1 • scc.!-2..ng sp s;Jlc2t ~to!:'t "tort r::;cwicht ( th thCOI'8tisch tot totQ3l I/P dCrl;Js;JQnnini] vr;r':l V8I'(~;-]n[C :i.nr;; r , \lol VOlUrTl8 l;) _{l-) r:} iJ!' O~J _O\lOrlJJ82r

o

o

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

33.

11 • I..i. t 'Je:; t uur l}_J.s t

1. :-~. j'nks ; ,)0 !Jcn::irJill~ van or;"ct;'lrJ"hydc , r:rotcniJlcJchyrlc Rn but:;nol fTlot etha

-nnI ;]ls cronr:13tof. Scri~tic T.H. 'lr:J.ft ,1975.

2. To:krmr;ti.r"? promotiG J. Ven"cli1or ;monrJclinlJc gcs[lrokken met J. VGn::wlaar.

3. G.J.M. Bots ;Kinotisch onderzoek <Jon dR ~asfase alrlnlcondonsntie van acost

-VO!:'Cil.:11J von het bijl}:;kr;r;1kticu'l Ch"rüschG TGchnologi8 ,197".

',. r.J. vc~n ,-I['n GQr!] ,:J. 'I. ':!é' J::n~ jChE'mischo P.c2!<torkuwh U13:?) 1 r:7G.

" ',I F 'r/o",~nn r:J r l'rO'l"''''l · :::rh.,.,l vnrnrntP.n (r1l.19) rJ'nnl 1.

~.

.

.

•

J

.

•

'

..

~)

....,:)

~.

,..

..

1 • '- '-'-.' ~ • t __ ... . ... _ .~~ .: _ , . < '---::...

6. T.r\. 1<5_1 en V.rl. ':2cnr21:ii ;:~himi;"J i !<himicllGskoya Tel:hnologiya (Alma ,4ta).

::0. 9,1%9 ilJ ?17-:?1. Rr:;f. Zh. I<h_im. 1971 obstr. 85700 C.l\. 76 ,1972 ,1044719.

7. II.V. i!k!'tch~/2n (1.2. Promy~hlenost Arm8nii 1977(3)38-9. Pak Bag (Industrie

n

,,-

,

,~_ r"J n •

1:5, ,:.C. ~bi_cl

,J

.

:i

.

Pr-::usnitz 2n T.I'. 3hC?I't:!00d jThc [Jropertios of ']Clses end

li-- j 30 ,

CjU2.CS , Cd.

1/~. ;1.C. n-=:id r:n T.!~. ,:-';h:Jr\~ood ,C.~.ScriGs ;Tho prQf)r?r.ti.Qs of C]:JS8S and liquics

c f'jc Gral/- Hi:!.l 2 cri.

17. J. Gmr:lin] cm lI. Onkpn j V;J~or-liquid equilibrium Data Colloction , vol 1 , part 1.

10. T.K. Sherwood Gn R. Pi~forri ;Absorbti on and extraction ,2ocd.

1 ~. F. J. Zui rl8rtlleg ; Colloge dikt<Jnt ,Fysische schoidingsmethoden ,Doel I I

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

Bijlé:HJe I

InhoudsofJQave.

1. Het ofJtrednn van Knudsen diffusie in de laboratoriumreactor.

2. Oe berekening van de dynamische viscositeit van het mengsel

in de reactor.

3. Het volume van de reactor.

4. BerGkeninl"] van d8 drukval in de reactor.

5. BerGkeninr:; van de dimensieloze i]roepen voor de reactor.

( ( ( ( ( ( (

n

o

Bijlage 1-1

Het optreden van Knudsen diffusie in de laboratoriumreactor.

Berekening volgens (4 pag. 10-10)

Knudsen diffusie treedt op als (vuistregel)

T (K)

>

2 rp(A)

p (atm)

Invullen ~ zie tabel 5-1) :

T =523 K P

=

1 atm o r

=

100 A P Ingevuld in (81-1-1):

ill.

>

2 x 100 1

Knudsen diffusie treedt op.

/

.

...J.~.(

c

J

( ( ( ( ( ( ' )

o

n

Bijlage 1-2

De berekening van de dynamische viscositeit van het mengsel in de reactor.

e . ( )

Berken~ng volgens 16, formule 3-135 •

o

~ 1 t) I = L y.

n.

(f'l.

r

:i

. I mengse ~ I l. ~ (81-2-1) ,

L

y. (~1.)2 ~ ~ M.

=

molecuulgewicht ~ y.

=

molfractie ~ ~ i

=

dynamische viscositeit

Tabel 81-2-1, de parameters voor (BI-2-1) bij 250 C en 1 atm.

Component f'lolecuulgewicht Viscositeit x10-7 (Pa.s)

Waterstof 2 130 Water 18 180 Ethanal 44 148 f'lengsel 147 Ingevuld: Yi .65 .10 .25 1.0 36. Bron tabel 5-4 tabel 5-4 B IV-a

'1

mengsel 0

=

10-7 ( ,65 x130@ +.1 Ox1 BOxW +025x14BX@ )

=

147 10)-7 Pa.s

(.65X~

+ .1 Ox'f18l +.25x{4L( )

n.b. De relatieve fout in de uitkomst kan voor waterstofrijke

( ( ( ( ( ( (

o

o

I

Ic

Bijlage 1-3 .

Berekening van het volume van de reactoro Gegevens tabel 5-1

De berekening loopt via 5 stappen, te weten:

1. Bepaling van (W/F) com

2. Berekening van molenstroom ethanal, uitgaande van een produktie van butenal van 10.000 ton per jaar.

3. Berekening van het gewicht aan katalysator 4. Berekening van het ideale volume in de reactor

5. Bepaling van het reeële volume.

Deze berekening wordt stapsgewijs uitgevoerd:

Stap 1 ; bepaling van

(

w

/n

com Berekening via (S-5) (W/(FxP't t» _{s or} Ingevuld (16/.295 103)

---lab

=

(W/(Fx~stort»com

=

(W/F/.4 103)

--(W/r) _cam = 21.7 grxhr/mol (kgxhr/Kmol) stap 2 ; Berekening van de molenstroom ethanal.

~mol Ach

=

1/

c;

X2X~ol Crrt

=

1/.1Bx2x19.S4

=

220.4 Kmol/hr stap 3 ; Berekening van het gewicht aan katalysator

Gkat

=

W

/Fx~mol Ac~

=

21.7x220.4

=

407B 10

3 kg

Stap 4

V

reac

Berekening van het ideale volume van de reactor.

3 3 3

=

Gkat/estort

=

4.78 10 /.4 10

=

11.96 m stap 5 ; 8epaling van het ree~le volume.

37

.

(81-3-1 )

( 81';'3-2)

(BI-3-3)

(81-3-4)

In 801. is aangetoond dat het Bodesteingetal bij lage omzettingen

niet zo'n grote rol speelt. Hieruit werd geconcludeerd dat de ver-houding tussen ree~l en ideaal maximaal 1.2 bedraagt.

3

V _ree = 1.2xV _reac

=

1.2x11.96

=

14.35 m ( 81-3-5)

-J

t'---( ( ( ( ( ( ( 'C I I

o

(' Bijlage 1-4

Berekening van de drukval in de reactor Gegevens tabel5-1en bijlage 1-3

De berekening loopt via de volgende stappen.

1. Volume stroom door de reactor

2. Bedporositeit

3. Dichtheid van het gasmengsel

4. Invullen van de Ergun-relatie

5. Variëren van de diameter van de reactor en het katalysa-tordeeltje; de invloed hiervan op de drukval.

st8p 1 ; Oe volumestroom door de roacto~ berekening volgens :

~mol

tot

=

100

%

/

(

%

AcH) x

~

(81-4-1)

rlOl AcH

mol Vt~ (t+273)/(273)xV(O C, 1 atm) (81-4-2)

~v =

~mol

totxVt (81-4-3)

Ingevuld met

P

_mol Ach= 220.4 Kmol/hr= 61.22 mOI/s (81-3-2)

t = 250 C,

P

= 1 atm (tabeI5_1)

(81-4-1)

~mol

_{tot =} 4 x 61.22 = 244.9 mOI/s

(BI-4-2) mol V

t = (250+273)/273 x 22.4 x 10-3 = 42.9

(BI-4-3)

~v

= 244.9 x 42.9 10 -3 = 10.50 m3/s

stap 2 ; De bedporositeit

porositeit

=

1- Vkat/Vtot=1-VkatxGkat/ (VtotxGkat? =

ê

= 1-

~

stort/Pkat

3 3

Ingevuld (tabeI5-1): f = 1- .4 10 / .66 10 = .40

stap 3 ; Dichtheid van het gas

Dichtheid = gewicht van 1 mol gas/ volume van 1 mol gas

=

()~

=~( y.

M.)/ V

t ~ ~ (ideaal gas) Ingevuld (tabel5_1) (81-4-4) 10-3 m 3 (81-4-5) (81-4-6) «81-4-7) (8~-4-8) (81-4-9) 38. = (.25x44+.65x2+.10x18)/42.9 = .329 gr./l .(kg/m3) (81-4-10)

( ( ( ( ( ( (

o

o

o

'stap 4 ; invullen van de Ergun relatie.

Oe drukval over de reactor kan berekend worden met de Ergun-relatie (4, pag 9-13), deze relatie luidt:

39.

6P/l = (1-E.) x

1

x (150 xt)x v x (1-t:) + 1.75 x v2 xl? )

[.3 9

( 81-4-11)

d_p d_p

xE>

9

Tebel 81-4-1, Parameters, in te vullen in de Ergun relaties.

Parameter 8ron Waarde Eenheid

~p _N/m2 l (81-3-5) -/ 2 2 V x4 (nxo )=18.27/0 ree m

t.

(81-4-8) .40 d (kat.deeltje) m p 147 10-7

fJ

(81-2-1) Pa.s v (81-4-3)

~

_v x4/(nx02)=13.37/o2 mis kg/m3

e

g

(81-4-10) .329

Tabel 81-4-1 ingevuld levert

DP/l

=

~L (.40)3 x 1 d P ( -7 2 x 150 x 147 x 10 x 13.37 x .60 + 1.75 x(13037) x,329) d x .329 x 02 04 P (81-4-12) of wel AP/l = .504 I (d2 x 02) + 9.649 x 102 / (d x 04) P p (81-4-13)

Stap 5 Vari~ren van de diameter van de reactor en de diameter van het katalysatordeeltje; de invloed hiervan op de drukval.

a. Variëren van het katalysator deeltje :

Nemen we geometrische gelijkvormigheid aan dan geldt (8-12),

(O/l)lab

=

.114 = (O/L)com (81-4-14)

m.b.v. V = 14.35 m3(81-3-5) levert dit

ree

o

cam

=

1.25 m

L. = 10.92 m com