Produktie van propeenoxide d.m.v. oxidatie van propeen met perpropionzuur

(1)

• F. V.O.Nr.:

2950

1

~

okho6E?«

q .

'3 C> -

±

l'2.. L .. ·u-(Ie.,.

•

Verslag behorende

•

bij het fabrieksvoorontwem

van

•

E.J.M. Boutkan

... . • • • • ~ ••••••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••• •• •• • • • • • • • • • ·· -• • • • • • • 0 . . . ..... . . .... . . ... . . .. , • •• W.A. van der Hulst

..••• • • • • • • • • • • ••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ,· ... ." ... o . . . o • • • • • • ~ • •• ••.• • • • • • • • • • ••• • • • • • • • • •

•

or.der;yerp:

Produktie van propeenoxide d.m.v .. oxidatie van

......................................... , ............. , .............. .

•

propeen mp.t perpropionzuur

•• • , .. . . ... . . . .' ... . . ... . . .. .. . . >, • • ~~ • • • • • • • • • • • •.•• • ••• • • • • • • • ••• • • • • • • • • • • • • • • • • •

•

ü';,'!::"i: Dcelcnstraat III opdrc.lch tdCJtum: november 1991

• 2611 NS Delft _{versicgdctum:}_{september 1992}

•

• ,

r!~!f/

(

Eo du Perronlaan 846 2ó2~:· NG Delft

T

U

Delft

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

(2)

•

I

•

SAMENV ATTING

Dit fabrieksvoorontwerp beschrijft de produktie van propeenoxide. De produktiecapaciteit bedraagt 150 kton per jaar. Dit proces heeft als voordeel boven andere bestaande proces-sen dat er geen milieuonvriendelijke of nutteloze bijprodukten ontstaan.

Propeen oxide wordt in twee stappen geproduceerd. In de eerste stap wordt uit propionzuur en waterstofperoxide perpropionzuur gevormd met een selectiviteit van 99.9% en een con-versie van 57% met zwavelzuur als katalysator. In de tweede stap wordt 99.9 mol% zuiver propeen oxide gevormd door propeen te oxideren met het perpropionzuur. De selectiviteit van deze reaktie is 99.9% en de conversie bedraagt 99.8% betrokken op perpropionzuur. Het ontworpen proces is niet rendabel doordat voornamelijk de variabele kosten erg groot zijn. De kosten van alleen al de grondstoffen zijn hoger dan de inkomsten van het

geproduceerde propeenoxide.

'S

OC

'7.

~

'"

" '"

U

i '"

~

IoN

tl

e

\

'1

Ic.

0

d- ;

\N~'

'1

d

~

.1

~

0

i'tt

het

l Cl

k

t

{ .. '"

s. h-

~

À ( 1I

Jh

7 S~

re

""-&JU

-7

we~h",~~\l'~ " ·t •

Uv~i~iGl e~~, ",ee

\"'j

ev.f»t'(;.t(.-\.4

p~o(.t!~

'I

N~~

1

fCdQ.

~f,...,+o,...

J-R'1 "')

i -?

"l

\A.-t'.

we"

te{~","et

R

~I( .... ..,~-'\ ~ ~j'1"1.t

wJ

pruct"

~t~~

...

~\Clcp·t I~\o.j"'p

_v ~ 0...

fl

pct

t"

c.vt ...

(3)

I

.

I

•

I I

i

· I

o

.

I

•

• ..

(

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

₁

t,

0.\1·

-.ûoJ .

Met dit procesontwerp is propeenoxide te produceren/met een zuiverheid van 99.9 mol%

en een selectiviteit van 99.9%. Uitgaande van perpropionzuur is een versie van 99.8%

te bereiken. Dit perpropionzuur wordt bereid met een conversie va 57O/t. en een selectivi-teit van 99.9%.

Dit proces heeft als voordeel boven andere bestaande processen dat er geen milieuonvrien-delijke of nutteloze bijprodukten ontstaan.

misch niet rendabel. () ..

ct

~

I

~

?

---~

--

----

-

~

--""'

7

Het is aan te bevelen de ontstane wa~·e bijprodukten erder op te werken, omdat

propyleenglycol en propyleenglycOlmon . aat in principe waardevolle produkten

ZIJn.

Omdat het niet gebruikelijk is dat waterstofperoxide in grote hoeveelheden afgenomen wordt is de prijs hiervan erg hoog. Er kan onderzocht worden of de mogelijkheid bestaat om op een goedkopere manier waterstofperoxide te verkrijgen, bijvoorbeeld door het in eigen beheer te produceren.

(4)

•

• o

.

•

INHOUDSOPGAVE Samenvatting Conclusies en aanbevelingen Inhoudsopgave 1. Inleiding

2. Uitganspunten van het procesontwerp 2.1 Specificaties van de grond- en hulpstoffen 2.2 Specificaties van de afvalstromen

2.3 Fysische constanten van de grondstoffen, hulpstoffen en het eindprodukt 2.4 Veiligheidsaspecten

3. Beschrijving van het proces 4. Procescondities

4.1 Reakties en kinetiek 4.2 Thermodynamica

5. Motivering keuze apparatuur en berekening apparatuur 5.1 Reaktoren 5.2 Destillatiekolommen 5.3 Extractie apparatuur 5.4 ~armtewisselaars 5.5 Vloeistof-vloeistof scheider 6. Massa en warmtebalans 7. Economische aspecten 7.1 De investeringen

7.2 De semi- variabele kosten 7.3 De variabele kosten 7.4 De indirekte kosten

7.5 De investeringsafhankelijke kosten 7.6 De kosten van het proces

7.7 De inkomsten van het proces 7.8 Economische evaluatie 8. Symbolenlijst 9. Literatuurlijst 1 2 2 2 3 4 6 8 8 9 10 10 10 10 11 14 15 16 16 19

20

21 21 22 23 23 24

26

(5)

•

• I

I

.

•

Bijlagen: I Componentenstaat 11 Massa- en wanntebalans 111 Specificatie apparatuur IV Berekening apparatuur

(6)

•

• 1 INLEIDING

Er zijn drie belangrijke groepen industriële toepassingen van propeenoxide namelijk: propeenglycolen, polypropeenglycolen en daarmee verwante produkten en isopropanola-mines [10]. Deze stoffen worden vaak weer gebruikt voor het fabriceren van verschillende polymeren zoals polyethers, polyesters en polyurethanen. Op dit moment wordt wereldwijd jaarlijks ongeveer 3 miljoen ton propeenoxide per jaar geproduceerd.

Er is grote behoefte aan een proces voor het produceren van propeenoxide dat zowel milieuvriendelijk is als een hoge selectiviteit haalt

In tegenstelling tot etheenoxide is propeenoxide niet via directe oxidatie te maken. Propeenoxide wordt voornamelijk gefabriceerd via het chloorhydrine proces en indirecte oxidatie processen, die weer onder te verdelen zijn in één- en tweestaps processen [32]. Het oxiraanproces is een belangrijk voorbeeld van een tweestaps proces. In 1985 nam het chloorhydrine proces 55% van de wereldcapaciteit voor zijn rekening en het oxiraan proces 43%. Een nadeel van het chloorhydrine proces is het ontstaan van gechloreerde bijprodukten. Het oxiraan proces heeft als nadeel dat er alcoholen en ketonen als bijpro-dukten gevormd worden.

Bayer & Degussa hebben een proces ontwikkeld dat een hoge selectiviteit heeft en dat veel minder milieubelastend is. Dit verslag behandelt het voorontwerp van het proces zoals het ontwikkeld wordt door Bayer & Degussa. Dit is in feite een tweestaps proces, waarbij in de eerste stap uit propionzuur met waterstofperoxide perpropionzuur gemaakt wordt. In de tweede stap wordt propeen omgezet tot propeenoxide met behulp van het eerder gevormde perpropionzuur.

(7)

•

2 UITGANGSPUNTEN VAN HET PROCESONTWERP

In het fabrieksvoorontwerp wordt uitgegaan van een jaarlijkse produktie van ongeveer 150.000 ton propeenoxide. Uitgaande van 8000 bedrijfsuren per jaar is dit een produktie van 18,7 ton per uur ofwel 5,2 kilo per seconde.

2.1 Specificaties van de grond- en hulpstoffen

De grondstoffen die gebruikt worden zijn propeen en waterstofperoxide. Voor propeen wordt uitgegaan van "polymer grade" propeen. In plaats van polymer grade propeen kan ook technisch propeen gebruikt worden wat enig propaan bevat. Waterstofperoxide wordt in een 50 g% (35 mol%) oplossing in water toegevoerd. Voor de vorming van perpropion-zuur is maar een kleine hoeveelheid propionperpropion-zuur nodig aangezien propionperpropion-zuur terug ge-vormd wordt in het proces. Alleen de verloren hoeveelheden moeten aangevuld worden Benzeen en water worden als extractiemiddel gebruikt. Zwavelzuur is de katalysator en moet door (spui- )verliezen ook toegevoerd worden in een 80 mol% oplossing met water. Voor alle stoffen die niet in oplossing worden toegevoerd geldt dat zij zo zuiver mogelijk

gebruikt worden. Het is ook mogelijk om minder zuivere stoffen te gebruiken, maar dat

heeft als gevolg dat de gespuide hoeveelheden groter zullen worden.

2.2 Specificaties van de afvalstromen

Een deel van de propeenrecycle wordt gespuid. Deze spui kan naar een fakkel of een fornuisinstallatie worden afgevoerd. Deze gasvormige afvalstroom van 896 ton per jaar bestaat voor het grootste gedeelte uit propeen (888 ton) terwijl tevens een gedeelte produkt

(8 ton) verwijdert wordt.

Bij de vloeistof-vloeistof scheider wordt een deel van de waterrecycle gespuid (7280 ton per jaar). Dit bestaat voor 99 g% uit water. Deze stroom bevat verder nog waterstofperoxi-de en propeenoxiwaterstofperoxi-de.

Een deel van de waterige stroom uit de benzeenextractie wordt gespuid. Deze spui kan worden opgewerkt door middel van destillatie waarbij waterstofperoxide teruggewonnen wordt en in het proces teruggevoerd wordt.

Bij deze opwerking ontstaan 2 afvalstromen:

1) water met ongeveer 0.04 g% waterstofperoxide, de grote van deze stroom hangt af van de benodigde hoeveelheid waterdamp voor de opwerking van de spui.

2) water met 35 g% zwavelzuur, met een grootte van 16.27 kton/j.

Tijdens het concentrering van de waterstofperoxide/zwavelzuur-recycle ontstaat een waterige afvalstroom van 169.9 kton/j. Deze bestaat voor 99.4 g% uit water.

De bijprodukten, voornamelijk propeenglycolmonoproprionaat worden d.m.v. destillatie afgescheiden (1267 ton/j).

(8)

•

I

'

.

I

•

--- - -- - ---

-Voor alle uitgaande proceswaterstromen geldt dat ze goed te behandelen zijn in een biologisch systeem [11].

Er wordt per jaar ongeveer 43.5 Mton koelwater geloosd, met een temperatuur van maximaal 35°C. Door het gebruik van luchtcondensors zou deze waterstroom verminderd kunnen worden.

2.3 Fysische constanten van de grondstoffen, hulpstoffen en het eindprodukt

De fysische constanten van de grondstoffen, hulpstoffen en het eindprodukt staan weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: Fysische constanten voor de grondstoffen, hulpstoffen en produkten bij 1 bar en bij a) 20°C, b) 25°C of c) 300 K. MI) _PIj Tl À 3j Cp Ij Tb I) g/mol kg/mJ _Ns/m2 W/mK kJ/kgK ·C propeen (g) 42.08 1.72 b 8.55E-6 b 0.0166 b 1.525 c -47.7 3j

I

propeen-oxide (l)

158

0

08 1859

b

I

120151

b

1

33

0

9

zwavelzuur 98.07 1831 a 25.4E-3 a 1.377 b 338 (1) Ij benzeen (1) 78.11 879 b 0.652E-3 0.1465 a 1.736 b 80.1 a Ij water (1) 18.02 997 b 1.002E-3 0.602 a 4.l796 b 100.0 a Ij waterstofper- 34.01 1196 a 1.l7E-3 a 3.32 a 113.9 oxide 50g% 4) proplOnzuur 74.08 993 a 1.102E-3 141.4 (1) a I) perproplOn- 120 2) zuur I) Weast 2) Swem 3) Vargaftik 4) Interox bv. 3

I

(9)

•

2.4 Veiligheidsaspecten

De explosiegrenzen en de MAC- waarden voor de grondstoffen, hulpstoffen en het eindprodukt staan weergegeven in tabel 2 en 3.

Tabel 2: Fysische eigenschappen die betrekking hebben op het brand- en explosie gevaar bij 1 atm en 25°C. [3].

explosiegrenzen

1)

vlampunt zelfontbrandings vol% lucht ( ; \.1\ • ·C _{temperatuur • C}

propeen 2.0-11.1 -108 460 propeenoxide 1.9-37.0 -37 550 zwavelzuur benzeen 1.2-8 -11 555 water waterstofperoxide proplOnzuur 2.1-12 52 465 perpropionzuur

Tabel 3: Fysische eigenschappen die betrekking hebben op de giftigheid.

MAC-waarden MAC-waarden ppm mg/mJ propeen n.v. n.v. propeen oxide 100 240 zwavelzuur n.v. 1 benzeen 10 30 water waterstofperoxide 1 1.4 propionzuur 10 30 perpropionzuur

n.v.

=

met vast de'd g g

l

13 . J

Voor de beschrijving van andere veiligheidsaspecten hebben we ons beperkt tot de voor het proces relevante omstandigheden [3].

Propeenoxide reageert heftig met oxidatiemiddelen en zuren met kans op brand en explosie. De stof kan heftig polymeriseren onder invloed van zuren.

(10)

•

• fAb.

~

Zwavelzuur boven 60 mol% is Moplossing een sterk oxidatiemiddel. reageert met vele

organische verbindingen. De stof is een sterk zuur en is corrosief. Zwavelzuur reageert heftig met vele stoffen onder warmteontwikkeling. Tast onedele metalen aan (behalve lood) onder vorming van brandbaar gas (waterstof).

Propeen reageert heftig met sterke oxidatiemiddelen en vele andere verbindingen met kans op brand en explosie.

Benzeen reageert ook heftig met sterke oxidatiemiddelen met kans op brand en explosie. De stof is kankerverwekkend. Als vervanging voor benzeen kan bijvoorbeeld cyclohexaan gebruikt worden.

Propionzuur is een matig sterk zuur en is corrosief. De stof reageert heftig met sterke oxidatiemiddelen en tast vele metalen aan onder vorming van brandbaar gas (waterstof). Waterstofperoxide is een krachtig oxidatiemiddel, reageert heftig met brandbare en reducerende stoffen en tast vele metalen aan. Waterstofperoxide-oplossingen die minder

dan 74 g% waterstofperoxide bevatten zijn op zich niet brandbaar en reageren niet

explo-sief. Bij direct contact van dit oxidatiemiddel met velerlei stoffen neemt de kans op brand

of explosie sterk toe. Waterstofperoxide is geen volledig stabiele verbinding. De zuivere

stof valt langzaam uiteen in water en zuurstof. Deze reaktie wordt bevorderd door de in-vloed van metaalionen. pH-verhoging, temperatuurstijging, organische stoffen en UV-straling. Deze exotherm verlopende reaktie kan ernstige gevolgen hebben. Door het

vrijkomen van zuurstof neemt de kans op brand en explosie en het algemeen sterk toe. Het vrijkomen van zuurstof kan aanleiding geven tot drukopbouw in afgesloten ruimten, zoals

containers of leidingen [l3].

In neutrale waterige oplossing is de hydrolyse van perpropionzuur langzaam, in aanwezig-heid van sterke zuren wordt deze hydrolyse versneld tot evenwicht bereikt is.

Perpropion-zuur is redelijk stabiel, de decompositie is langzaam bij kamertemperatuur (in vergelijking

met langere perzuur ketens). Anorganisch pyrofosfaten in kleine hoeveelheden (tot 100

ppm) zijn effectieve stabilisatoren. Perpropionzuur zal detoneren en/of ontbranden bij

snelle verwanning. De stof is een oxidatiemiddel en is weinig toxisch [28].

Om de reaktie van waterstofperoxide en propionzuur in de aanwezigheid van zwavelzuur veilig te laten verlopen mag de molverhouding van waterstofperoxide en propionzuur niet groter zijn dan 1.4. De reaktietemperatuur moet lager dan 60°C zijn, er mag niet meer dan een 55 g% waterstofperoxide oplossing gebruikt worden en de zwavelzuurconcentratie in het reaktiemengsel moet tussen 10 en 40 g% liggen [22].

Voor zwavelzuur en propionzuur kan roestvast staal gebruikt worden. Als er echter waterstofperoxide aanwezig is dient dit staal gepassiveerd te worden.

(11)

•

• IJ.

1 ~~

f

Pc

h

-

~

k

~.)/ s

~

0. 1 s- h"",oi/-,.

11.(

8

'

.

6 H ::. 6. 1'5'

~

0. 6)(

,Ç,. IO"

'kJ/s

6..\-:, (,).1" ,*0.( '11- \5 3 IO"!, >-

M-.

~o

10J -=

•

6./'5"* ::l...\)fi l,./.8 I SO

G

00

oe

•

(12)

•

.

'

•

1

•

I 1

-3 BESCHRIJVING VAN HET PROCES

Het proces is op te delen in twee stappen: de produktie van perpropionzuur uit propion-zuur en waterstofperoxide en de produktie van propeenoxide uit perpropionpropion-zuur en propeen.

Stap 1:

In een isotherme buisreaktor R9 worden propionzuur en een waterige oplossing van

zwavelzuur en waterstofperox# samengebracht. De molverhouding van waterstofperoxide en zwavelzuur is gelijk aan 1, het zwavelzuur is de katalysator. Het is belangrijk dat de

molverhouding en temperatuur in de reak~ goed gecontroleerd worden in verband met de

explosiegrenzen van het mengsel. Nad~let in de reaktor ontstane gas (02 en CO₂)

verwijderd is, wordt het reaktiemengsél opgewerkt. In een extractiekolom TIl wordt met benzeen als extractiemiddel het propionzuur en het perpropionzuur geëxtraheerd. De lichtere benzeen fase verlaat de kolom aan de bovenkant. terwijl een waterige fase. die waterstofperoxide en zwavelzuur bevat. de onderkant van de kolom verlaat. Een klein gedeelte van deze stroom wordt gespuid. Het grootste gedeelte van de waterige fase wordt

~ gevoerd naar een vacuumdestillatietoren Tl. Voor de destillatie wordt eerst vers

zwavel-VJfJ.-

~'rt)

/ , zuur en waterstofperoxide toegevoegd. De spui kan opgewerkt worden, zodat het gespuide

Q.

e;'40

L~""')

waterstofperoxide alsnog teruggevoerd kan worden. Nadat in Tl een gedeelte van het

\ 0 water verwijderd is - het water wat ontstaan is tijdens de reaktie en het water wat

toege-voegd wordt met het verse zwavelzuur en waterstofperoxide - kan de zwavelzuur en waterstofperoxide bevattende watetige stroom teruggevoerd worden naar de reaktor R9. De perpropionzuur en propionzuur bevattende benzeen stroom wordt een volgende

extractie eenheid M 14 ingevoerd. In deze extractie eenheid wordt de stroom gewassen met water om de laatste sporen waterstofperoxide te verwijderen.

1 \

In vacuumdestillatietoren T15 wordt een azeotropisch mengsel van water en benzeen over de top afgedestilleerd. Dit mengsel wordt in een vloeistof-vloeistof scheidingsvat V21

• opgesplitst in een water- en een benzeen fase. De watelfase wordt weer gebruikt in de

extractiesectie M 14 nadat een gedeelte gespuid is, de benzeenfase wordt teruggevoerd in de kolom T15. Uit de bodem van Tl5 komt een benzolische oplossing van perpropion-zuur, het uiteindelijke reaktiemengsel voor de verdere oxidatie.

stap 2:

De benzolische oplossing van perpropionzuur wordt samen met overmaat propeen, een isotherme tankreaktor R23 ingebracht waar de reaktie naar propeenoxide plaatsvindt. Vervolgens gaat het mengsel nog een isotherme tankreaktor R24 en een adiabatische buis R25 door waarna een voldoende hoge conversie (99.8%) bereikt is.

In destillatietoren T26 wordt propeen, propeenoxide en een gedeelte van het benzeen

afgescheiden van het nog aanwezige propionzuur. Dit is om snel doorreageren van propeenoxide met propionzuur te voorkomen. In een volgende destillatietoren T30 wordt

propeen afgescheiden van het destillaat van destillatietoren T26. Dit wordt, nadat een

gedeelte is gespuid, teruggevoerd naar de reaktiesectie. Destillatietoren T38 wordt gevoed 6

(13)

•

met de bodemsrroom uit T30, die bestaat uit propeenoxide en benzeen. In deze toren wordt het produkt propeenoxide afgescheiden. De bodemstroom van T26 die benzeen en propionzuur bevat wordt in destillatietoren T31 ontdaan van benzeen. Dit benzeen wordt samen met het benzeen dat over de bodem van T38 afloopt teruggevoerd naar de extrac-tietoren Tll. De bodem stroom van T31, die voornamelijk propionzuur bevat, wordt in T39 ontdaan van de tijdens de reaktie gevormde zwaardere bijprodukten. Het propionzuur wordt teruggevoerd naar R9 voor de reaktie tot perpropionzuur.

In het proces zijn in het totaal dus drie spuien aanwezig om ophoping van inene stoffen of bijprodukten te voorkomen.

Opstanen van het proces:

In de eerste stap moet het waterstofperoxide en het zwavelzuur direct in de reaktor

ingevoerd worden omdat er nog geen recycle stroom aanwezig is. De andere voedingsstof-fen worden via flowregelaars in de juiste hoeveelheid aangevoerd.

(14)

•

• _•

H2(1~~

.. ' .~ __ y3

~

~-

~

f

'rt'~~V"! ? (.0,..),0) .

•

(fe)

71

R9

•

:&D_r -- -~ r" Stoom I :.~r· ... I ~~-~ Koalll'later

+

J;\-,

~

-

~

_

~

_

~Ol"~!~~

rry-(I~

'"""

'

e

~D

H. H10

-_.11 _~ OESnLLA nETOREN (WA TER) R9 PPZ REAKTOR

TIl EXTRAcnETOREN (BENZEEN)

MI + MIXER-SEffiER

T15 DEsnLLA nETOREII (WA TER/BENZEEN) V21 SETTLER (WA TER/BENZEEN)

.. -- - - .

__

._-- - -

----r

-

r

-"-

--'-' .

._

.. _

..

-.

---I. '"

''

CC, ,, ,,,. , , , , , , ,

•

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

....

.

~

-

---

B

c; .•

II~I

--

~

-

~

-

'-

-Koelwalar Q,ll!' o\ .... "p H1§..l

E.f@

--LIL

S~p

·

V17

-~

lrr~!18 T151

;t~

(

,,

~p~o: ~

EX~

~ 41 --, I 1

b

e \., H' ( "'- (1

~:il..~ ~

H18 {~~I.<~ M1

é

-:. vp "Z "

.

' ) . 0 ..., '0)

0 ·,1

(VU

e '"

~

cJ.i

t. '-<.c.-. 'Ir C> Cl

V-P

U p\--vpi<>""

~\A.u.r

?

20 .:

,.co

:l1 ~ , f . 0 1...3 ~ . , . 0 I CO .... \1 ~ . _ - - _ ._----_., .' ..

_.

_

-

• • "'J ___ _ . _______ ___ .

(15)

•

-~-- -I~

-•

J

o",l!

1

~,,""~-

.

y

•

PH0t'lûNZUUR

...

Pkllf'llN

r

-

-·_····

· _

~

···

~~)(J0 :-î

~t

'"

"t..

~

~eeÇ

. j

vo-'

\ __ v " \\. ó. Ir- " " -..p- ~A" V'

b

_t\A1 -'otvo.t.

•

• j

--•

• ...

- - -~2~!!"!9!~~ \-- "V41 1.38 -II~

e-

J -~~~toom H42

-

.

'tI}IT;

l __ - -

-

,

F<

T

1 h

f

rl

11 -

--".'

&~

,IJ·

I

~~I

_-

_T+2

-~ ---T31 _"_~~~!~!!!

-~

--- ---:.'H --..:...:

--=

H.

T~~.

_

II

.

~

H43

~---

· l

BENZEEN - - --- - ---

-•

QneYkc.(Á-

\e~

VUOI-- Y(.ucJ..olr" löv..f.".

('l

'::i

r

y -t «-<.ko ~ ~ '-144

~<

\\1. -\-

'Pl

:3.3 - - - ----ic: e- ~-b{:'V)L. ye L"V' Stoom

~~

'--

--

.-~

V44 0_6

-

Á

'T'

-

--

®

-_ ~J

lt

.-~

~ L Heavy ~~--. ---

-PROCESSCHEMA van PRODUKTIE PROPEENOXIDE

dmv OXIDATIE van PROPEEN met PERPROPIONZUUR

E_J.Io4. Boutkon fobr. Voorontwerp No: 2950

W.A. von der Hul.t September 1992

o

Stroomnummer 0 Temp. In·e

0

Eli. druk In bar

I _ -- I

(16)

•

4 PROCESCONDITIES 4.1 Reakties en kinetiek Ie stap:

De vorming van perpropionzuur is een evenwichtsreaktie en is tweede orde in de concen-

f

tratie van waterstofperoxide en propionzuur. Het mechanisme lijkt op een zuurgekataly-seerde verestering [20], zie figuur 1. In dit geval wordt zwavelzuur als katalysator ge-bruikt.

".,;:;0 Ä /.,OH RC""'" + H+ ~ RC: +

... OH ~ rast "OH

/..OH A', /..OH

RC: • + HtO t ~ ..-...

_RC~';OH

+ H:O "'OH slow /..OH Ä ~O ---4- RC""'" + H+ RC~ + .... -... OOH OOH rast

Figuur 1: Mechanisme vorming perpropionzuur.

De tweede stap in dit mechanisme is de snelheidsbepalende stap. De snelheid wordt groter bij toenemende zwavelzuurconcentratie. Bij een temperatuur van 40°C, een druk van 1 bar, een verblijf tijd van 18 minuten en een zwavelzuurconcentratie van 23 g% wordt 57% van

het propionzuur omgezet met een selectiviteit van 99.9% [22]. De reaktiewarmte bedraagt

-152.8 M@

h.-w..~

.

Tijdens de bovenstaande reaktie kan het gevonnde perpropionzuur ontleden:

2 CH

3CH2COOOH -+ 2 CH3CH2COOH + O2

CH₃CH₂COOOH -+ C₂H

_s

OH + CO₂

2e stap:

De vorming van propeen oxide vindt plaats volgens het volgende mechanisme [29]:

(17)

•

• -•

•

• t:'l,

+ Pol ~

t1 -

\'

0 ~

Ti

Pb

-t 'P

I

~ 1'G.-Mf

r

b -+ ~h «;) -">

r

G-\ / t:'\ C l.o.~ 11 / '\ ~o C-R '-" \

,,"

/ \ H 0 \ / ~ 0 \ .... ~ : "0" 'C-R ; .. ' '. J C H····O / \

9'

I Ht-C>.::

12 ft

J

/1"

k-.c;>j

Ci

~ ~p~e?

• ki

"'d ..

.-t

..

·C,&

~

..1t~

.

'"

o~c.e""""~

~

, W\A.S~

h"-Ioo.sfe.r

1..,

""",-\-wh'o\",,-I)

\f

.

c\(~pt-\'"~

fo"'-

v.f

'1W)

~

I

\

~.'1 1A-1·c.t •

~ 0 + RCOOH

c/

/ \ Figuur 2: Mechanisme vorming propeenoxide.

De snelheid van het ontstaan van propeenoxide is afhankelijk van het uiteenvallen van het complex (overgangstoestand) [8]. De reaktie is tweede orde in de concentratie propeen en propionzuur. Na twee tankreaktoren met ieder een verblijf tijd van 45 minuten en een buisreaktor met een verblijf tijd van 70 minuten bedraagt de totale conversie 99.8%. Selectiviteit is hier tevens 99.9%. De tankreaktoren hebben een temperatuu 165°C de buis is 72°C alles bij een dlUk van 4 bar [221. De reaktiewarmte bedraag -65.2 l/mo!. Als bijprodukten worden propeenglycolmonopropionaat en propeen glycol gevormd [25]:

P

D

; . ? ~. 1) T' (\I V'- "'t. ""'''''' r

-C₃H₆0 + CH₃CH₂COOH ... CH₃CH(OH)CH₂0COC₂H₅

C₃H₆0 + H₂0 ... CH₃CH(OH)CH₂(OH)

Het propeenglycolmonopropionaat kan nog door veresteren tot propeenglycoldipropionaat. De ontledingsreakties van perpropionzuur zoals hiervoor genoemd vinden hier ook plaats. 4.2 Thermodvnamica

De vloeistof-vloeistof evenwichten zijn voornamelijk belangrijk tijdens de twee extracties. Hier is telkens sprake van een evenwicht tussen water en benzeen en in mindere mate propionzuur en perpropionzuur. Tijdens dit evenwicht vindt ontmenging plaats tussen de benzeen- en watelfase [5]. Wegens het ontbreken van veel belangrijke interactieparameters en het niet toepasbaar zijn van de UNIFAC groepsbijdrage methode voor propeenoxide is er uitgegaan van de vloeistof-vloeistof evenwicht gegevens zoals ze gegeven werden in het patent [22]. Dit is zover dat mogelijk was nog wel geverifieerd [51

Aangezien de stoffen voornamelijk apolair zijn, wordt voor de beschrijving van de vloeistof-damp evenwichten de Modified Soave Redlich Kwong (MSRK) toestandsverge-lijking gebruikt. Deze toestandsvergetoestandsverge-lijking voldoet goed voor het beschrijven van vloeistof-dampevenwichten van mengsels van polaire en apolaire stoffen.

Tijdens de destillatie in T15 is er sprake van een azeotropisch mengsel van benzeen en water [24].

(18)

•

5 MOTIVERING KEUZE APPARATUUR EN BEREKENING APPARATUUR

\oV'~

~

-t.."e.-~ ~ftI'A

6-\ ""

5.1 Reaktoren Reaktor le stap: /

De reaktie die hier plaats vindt

~n

evenwichtsreaktie. Er wordt genoegen genomen met

een bepaalde omzetting (57 %) omdat evenwicht een oneindig lange verblijf tijd nodig heeft. Deze verblijf tijd is niet al te lang (18 min) zodat een buizen reaktor genomen kan worden omdat deze een minder groot volume nodig heeft voor dezelfde conversie dan een tankreaktor. De reaktie wordt isotherm uitgevoerd in een reaktor van het buis/mantel type. De koelwater bevind zich in de mantel. Uit de verblijf tijd en de volumestroom volgt het reaktorvolume.

Reaktoren 2e stap:

Er is gekozen voor twee tankreaktoren in serie en aansluitend een buisreaktor. Bij het

gebruik van één buisreaktor zou door de grote volumestroom en lange verblijf tijd deze

reaktor zeer groot worden wat hoge konstructiekosten met zich meebrengt [8]. Een enkele tankreaktor wordt te groot om de juiste conversie te bereiken. een extra voordeel van twee tankreaktoren is dat er een iets hogere conversie bereikt kan worden (90%). De buisreaktor

is nodig om de uiteindelijke conversiegraad te bereiken. die zeer hoog is (99.8%).

Uit de verblijf tijden en de volumestromen volgen de volumes van de reaktoren. De verblijf tijd per tankreaktor bedraagt 45 minuten en voor de buisreaktor 70 minuten. Voor de tankreaktor is een standaard geometrie aangenomen met interne of externe koeling. Door de grote volumestroom wordt er gekozen voor een buisreaktor die uit meerdere buizen bestaat die zich parallel in een (tube-) bank bevinden.

5.2 Destillatiekolommen

Het aantal trappen en de schotelprofielen van de destillatiekolommen zijn uitgerekend met behulp van Chemcad. Alle torens zijn uitgemst met zeefplaten. De methode voor de dimensionering van de kolommen is gehaald uit het dictaat Scheidingsprocessen 11 van prof. Krishna [15] en de berekeningen zijn gedaan met Mathcad (zie bijlage IV). De berekeningen zijn zo uitgevoerd dat aan de hand van enkele instelparameters zoals schotelafstand en de verhouding van de lengte van de overlooprand en het actief schotel-oppervlak een zo goed mogelijke schotelbelasting verkregen wordt. De gassnelheid is

ingesteld op 80% van flooding. De efficiency is berekend op grond van verschillende

methodes. waarvan het gemiddelde genomen is.

5.3 Extractieapparatuur

Voor de extractie van propionzuur en perpropionzuur met benzeen wordt een pulserende zeefplaten kolom gebruikt (TIl).

(19)

I I

I

.

I

.

•

I

•

~~~~~~~~~~~~--- -

-Voor de extractie met water om de laatste waterstofperoxide sporen te verwijderen wordt

een mixer-settler unit van 3 stappen gebruikt (M14). Er wordt voor deze configuratie

gekozen vanwege het grote verschil van de volumestromen van de twee fasen. De extractie wordt in tegenstroom uitgevoerd. In figuur 3 staat een schematische weergave van het apparaat. Omdat een horizontale mixer-settler een groot oppervlak nodig heeft is gekozen voor een Lurgi mixer settler toren [16].

--

--3 WATBI 2 .A~ L -________________ ~~ WATIII ( ... n

-

WAlBI

Figuur 3: Schema mixer settler.

5.4 Warmtewisselaars

Alle warmtewisselaars in het voorontwerp zijn van het shell & tube type. Er wordt

standaard gebruik gemaakt van een shell & tube warmtewisselaar met een vaste pijpplaat

omdat dit de goedkoopste warmtewisselaar is, maar als zowel het medium in de mantel als in de buizen corrosief is wordt er gebruik gemaakt van een warmtewisselaar van het floating head type. De pijpen zijn in een driehoek patroon gerangschikt met een steek van

32 mmo

De algemene vergelijking [4] voor wanntetranspolt door een oppervlak is:

Waarin:

Q

U

A

~Tm

=

warmte getransporteerd per tijdseenheid

l

W]

=

overall warmtetransport coëfficiënt [W/m20C]

=

warmte uitwisselend oppervlak [m2]

=

gemiddelde temperatuurverschil [0C]

Het gemiddelde temperatuurverschil wordt berekend volgens: 11

(20)

•

• I

·

I I

!

.

I

.

I

I , ~ .

•

Waarin: ~Tlm = logaritmisch temperatuurverschil

Ft = correctiefactor

Voor één shell pass en een even aantal tube passes wordt de correctiefactor gegeven door:

Ft waann: (R -t).ln 2 -S-(R + t-J(R2 + 1)) 2 -S-(R + 1 + J(R2 + 1)) R

=

(Tl - T2) (t₂_{-tI )} S = (t2 - tI) (Tl -tI)

Deze correctiefactor moet groter zijn dan 0.75.

De overall warmtetransport coëfficiënt is een functie van individuele coëfficiënten:

d

'ln~

1 1 1

o d.

I

do

1

do

1

-

= + + +

_{- ' -}

+ '

-U

_ho

_hOd

2·k

_w dj

hid

dj hj

waarin: ho = filmcoëfficient van het medium in de mante(W/th20C] hj =filmcoëfficient van het medium in de buizen[W/m2°C]

hOd = vervuilingscoëfficient in de mantel [W /m20C]

hjd = vervuilingscoëfficient in de buizen [W/m20_C]

kw = geleidingsvermogen van het buismateriaal [W/m2°Cl

dj = binnendiameter van de buizen [m]

do = buitendiameter van de buizen [m]

De buitendiameter van een buis is 25 mm en de binnendiameter van een buis is 20 mmo

(21)

•

De warmte getransporteerd per tijdseenheid (Q) is berekend met behulp van Chemcad. Voor de overall warmtecoëfficient (U) wordt eerst een beginschatting gemaakt. waarmee

het warmtewisselend oppervlak uitgerekend wordt. Vervolgens wordt U opnieuw berekend.

waarna de geschatte U wordt aangepast totdat uiteindelijk de goede waarde voor U is

gevonden.

Koelers:

Om de U uit te rekenen zijn de coëfficiënten in de buizen en mantel nodig. Deze worden

uitgerekend volgens Coulson & Richardson [4] waarbij voor de coëfficiënt van de mantel

de methode van Kern wordt gebruikt. Het geheel werd berekend met behulp van Mathcad

(bijlage IV).

Het meest vervuilende enlof cOlTosieve medium wordt door de buizen geleid. omdat de

buizen makkelijker schoon te maken zijn. De snelheid in de buizen mag groter worden dan

in de mantel zodat de vervuiling beter onder controle gehouden kan worden.

Voor optimaal ontwerp moet aan de volgende randvoorwaarden worden voldaan:

- Snelheden in de buizen tussen 1 en 2.5 mis en in de mantel tussen 0.3 en 1 mis. (In

verband met drukval, erosie, wannteoverdracht en vervuiling).

- Baffle spacing van 0.3 tot 0.5 maal de manteldiameter. (Optimum tussen betere

warmte-overdracht en hogere drukval)

- Baffle cut van 20 tot 25%.

Condensors:

Ook voor de condensors wordt de wannteoverdrachtscoëfficient berekend met behulp van

mathcad, ook volgens Coulson en Richardson [4], waarbij als mechanisme voor

wannte-transport filmcondensatie gebruikt is. Voor het condenserend medium is de methode van

Kern gebruikt. Condensatie vindt in principe plaats in de mantel tenzij het condenserende

medium corrosief is. Bij condensatie in de mantel is de positie van de condensor

horizon-taal en bij condensatie in de pijpen vertikaal. Als koelmiddel wordt koelwater gebruikt, behalve bij de partiële condensor H32 waar gebruik gemaakt moet worden van een brine, die met behulp van een koelmachine op de juiste temperatuur wordt gebracht. De

toptemperatuur van deze toren kan wel minder laag door de reflux te verlagen, maar dit gaat dan ten koste van de zuiverheid van de top waardoor elders in het proces weer grotere spuiverliezen optreden. Voor condensors met condensatie in de mantel geldt dat de bafflespacing gelijk is aan de manteldiameter en de bafflecut 45% bedraagt. Zie bijlage IV.

Reboilers:

De reboilers zijn allemaal van het thennosyphon type. Voor de verwarming wordt 13

(22)

I

•

I

•

condenserend stoom gebruikt dat door de mantel wordt geleid. De verdamping vind plaats

in de tubes. Het mechanisme voor warmtetranspon dat gebruikt wordt is convective

boiling [4]. Zie bijlage IV.

5.5 Vloeistof-vloeistof scheider

Aan de hand van de volumestromen en het verschil in dichtheden is dit apparaat ontwer-pen. De gevolgde methode wordt beschreven in Schweitzer [26]. Voor dit ontwerp is uitgegaan van een druppeldiameter van 150 micrometer. Met deze druppeldiameter wordt een bezinksnelheid bepaald en het benodigde grensoppervlak tussen de twee fasen. Dit

oppervlak bepaalt de geometrie van het vat. Verdere gegevens van dit apparaat staan in

bijlage IIT. De berekening staat in bijlage IV.

(23)

•

6 MASSA- EN WARMTEBALANS

Voor het opstellen van de massa- en warmtebalans is gebruik gemaakt van Chemcad. De grootte van de spuistromen zijn zo gekozen dat Chemcad goed kon convergeren. De waarden voor de enthalpie en de massastromen zijn overgenomen uit Chemcad. Hieruit volgt een kloppende massabalans. De warmtebalans heeft een fout van één procent. Dit is te verklaren door het feit dat de enthalpie berekeningen in Chemcad minder nauwkeurig zijn. De massa- en warmtebalans en de componentenstaat zijn te vinden in bijlage I en II.

(24)

I

•

7 ECONOMISCHE ASPECTEN 7.1 De investeringen

De investeringen die nodig zijn voor een chemische fabriek zijn in vier groepen te verdelen:

-IB' de investering in de proceseenheden (inclusief indirecte bouwkosten, zoals engineering en construction overhead van IB).

-lH' de investeringen in hulpapparatuur, zoals ketels, gebouwen enz.

-IL , de investeringen in niet-tastbare zaken, zoals licenties, know-how, pre-operationele

kosten, start-up kosten, maar niet de indirecte bouwkosten. -Iw. het werkkapitaal. voorraden, cash en terreinen.

Er zijn verschillende methoden om tot een schatting te komen van het investeringsbedrag:

1. omzetmethode (voor een eerste indicatie).

2. scale up (voor het bepalen van de capaciteitsinvloed). 3. stapmethodes (voor routevergelijking).

4. factormethodes (globale absolute bepaling).

5. office type (meer gedetailleerde absolute methode). 6. gedetailleerd.

Om tot een bepaalde keuze van een investeringsmethode te komen, dient altijd de nauwkeurigheid in relatie met het stadium van de ontwikkeling van het ontwerp

be-schouwd te worden. Voor een fabrieksvoorontwerp (waar doorgaans nog niet voldoende informatie aanwezig is voor een nauwkeurige methode) is een stapmethode nauwkeurig genoeg.

In dit verslag is de Jansen-vm;ant van de methode van Zevnik-Buchanan [19] gebruikt. Deze methode is gebaseerd op het feit dat investeringen een functie van twee variabelen zijn: de procescapaciteit en de procescomplexiteit.

Er is uitgegaan van 8000 produktie-uren per jaar.

Voor de schatting van de investeringen volgens deze methode zijn de volgende basisgege-vens nodig:

- procescapaciteit voor iedere functionele eenheid (P; kton/jaar). - complexity factor voor iedere functionele eenheid (Cc). - Plant Cost index (Cl)'

Een functionele eenheid is een apparaat met bijbehoren bijv. een destillatiekolom met pompen, pijpen, instrumentatie enz.

In dit fabrieksvoorolltwerp is het aantal functionele eenheden 14.

De complexity factor corrigeert de kosten van een functionele eenheid voor werkcondities zoals druk en temperatuur. De complexity factor wordt als volgt berekend:

(25)

I

•

De materiaalfactor Fm is 0.1 voor roestvast staal en 0 voor normaal staal (koolstofstaal) [19, tabel IIl.18]. De drukfactor F_pwordt voor elke eenheid afgelezen uit figuur IIl.17 uit het dictaat Chemische Fabriek [19]. De temperatuurfactor Fti wordt bij de maximaal te bereiken temperatuur berekend met de formule:

F = 0.018. (T-290)

tj 100 als T> 290K

F = -0.20. (T-290)

tj 100 als T :,; 290K

De berekening van de investeringen per functionele eenheid (IE) geschied met een

degressiefactor m = 0.6 voor processen met een produktie van meer dan 4500 ton/jaar en een Plant Cost Index Cl

= 356.6

(maart 1992) [2]:

De totale investeringen in de proceseenheden (lu) is de sommatie van de investeringen per functionele eenheid:

De berekening van de investelingen staat weergegeven in tabel 4. De investeringen in de proceseenheden bedragen volgens deze methode 81.6 miljoen dollar. Bij een dollarkoers van fl 1.7 per dollar komt dit neer op 138.7 miljoen gulden.

(26)

•

Tabel 4: Berekening van de investeringen in de proceseenheden volgens de Jansen-variant van de Zevnik-Buchanan methode.

T_max P Pi Cf" ,I

IE

(0C) _(bar) _(kton/j) _(M$) Tl 77.0 1.0 633.6 2.58 4.5 R9 39.7 1.0 832.7 2.54 5.1 Tll 39.8 1.0 959.3 2.54 5.6 M14 40.0 1.0 1314.4 2.54 6.7 T15 61.3 1.0 2416.32 2.56 9.8 V21 40.8 1.0 452.16 2.02 2.8 R23 65.0 4.0 1275.3 2.95 7.7 R24 65.0 4.0 1275.3 2.95 7.7 R25 65.0 4.0 1275.3 2.95 7.7 T26 144.4 4.0 1278.7 3.05 7.9 T30 64.6 3.0 553.0 2.29 3.6 T31 149.2 3.3 722.9 3.02 5.6 T38 95.7 1.6 535.7 2.12 3.3 T39 156.7 1.3 337.0 3.03 3.6

I

IB

I

81.6

I

Ter controle is een tweede methode gebruikt om de investeringskosten te berekenen. Dit is de methode van Wilson:

Bij deze methode wordt uitgegaan van het aantal apparaten (N), exclusief pompen.

De investeringen in de proceseenheden worden berekent met:

I _B

=

j·N.tAUC)·F ·F·F _\ _p _t _m

/ '

AUC betekent Average Unit Cost (in E) en worden afgelezen uit fig III-25 Montfoort deel

II of berekent met:

(27)

•

AUC = 21 {Jaardoorzet)O.675

f is een factor, die afhankelijk is van het soort proces en tevens een correctie inhoudt, die van de hoogte van de AUC afhangt. In fig 11.28 is f weergegeven. De ander F factoren geven de mogelijkheid om te corrigeren voor de druk, temperatuur en materiaal (weerge-geven in [19] fig. III-26 en tabel 11.27).

Omgerekend naar guldens is dit 53.6 miljoen gulden.

Het grote verschil in uitkomst voor de verschillende methodes is een gevolg van de diverse gebruikte capaciteitsdegressie exponenten. Voor deze twee methoden zijn de • investeringskosten in de proceseenheden gemiddeld 9R miljoen gulden. Omdat de

gebruikte methodes vrij onnauwkeurig zijn, is het gebruikelijk om met een extra post

~ onvoorzien (30%) rekening te houden. De investeringen van de proceseenheden zijn gesteld op 127 miljoen gulden.

• De investeringen in de proceseenheden (ILJ) bedragen ongeveer 64% van de totale

investeringen (I) [figuur lII.1 Montfoort deel 2]. Hierdoor zijn de totale investeringen 198 miljoen gulden.

• 7.2 De semi-variabele kosten

De semi-variabele kosten zijn kosten die niet lineair per ton of per tijd verlopen. Hieron-der vallen onHieron-der anHieron-dere de loonkosten. de onHieron-derhoudskosten, de katalysatorkosten en de royalty's (de betalingen voor het gebruik van rechten in het algemeen en octrooien meer in • het bijzonder).

•

De onderhoudskosten worden ook vaak als vaste kosten beschouwd, aangezien er dan met een percentage van de investeringen gewerkt kan worden. Voor dit percentage is 4% genomen, wat neer komt op 7.94 miljoen gulden per jaar voor de onderhoudskosten. De kosten voor de royalty's zijn een onderdeel van de totale investeringskosten (ze vallen onder IL) en worden daarom hier niet meer berekend.

De loonkosten zijn berekend met behulp van de Wessel-relatie [19]:

(28)

•

• manuren

ton product

= k

*

aantalstappen

( capaciteit)O.76

dag

De factor k geeft aan of het proces continu, gemengd of discontinu wordt bedreven.

Aangezien er in dit fabrieksvoorontwerp sprake is van een continu proces, moet er gewerkt

worden met k = 1.7 (1986). Na correctie voor de produktiviteitstoename (ongeveer 6% per

jaar) is k gelijk aan 1.17. Het aan stappen is 7. De capaciteit is 150 kton propeen oxide per jaar. Uitgaande van 8000 arbeidsuren per jaar levert dit een capaciteit op van 450 ton propeenoxide per dag. Na invulling van deze waarden wordt een waarde van 0.0789 manuren per ton produkt berekend. Het aantal manuren per dag bedraagt 35.5 uur, dit komt neer op 1.48 functieplaatsen. De globale kosten per arbeidsplaats op volkontinu basis waren in 1986 350 kfl. In verband met stijging van de lonen en inflatiecorrectie zijn deze kosten met ongeveer 3% per jaar gestegen, hetgeen 418 kfllfunctieplaats oplevert. De

loonkosten zijn dus 0.62 miljoen gulden per jaar.

Per jaar wordt er aan katalysator, zwavelzuur 6.048 ton verbruikt. Zwavelzuur kost 150 gulden per ton [19]. Zodat de totale kosten aan katalysator 0.907 miljoen gulden per jaar

ZIJn.

Het totaal aan semi-variabele kosten komt hiermee op 1.525 miljoen gulden per jaar.

7.3 De variabele kosten

Bij het berekenen van de variabele kosten worden de jaarlijkse kosten van de grond- en hulpstoffen, de elektriciteitskosten en de kosten van het koelcircuit bij elkaar opgeteld. De prijzen voor propeen en benzeen zijn gegeven door [7]. De prijzen voor proceswater,

stoom. koelwater en elektriciteit zijn gehaald uit de 'Handleiding voor het maken van een

fabrieksvoorontwerp , [18]. De kosten van het benzeenverbruik zijn geschat. De werkelijke

benodigde hoeveelheid benzeen per jaar was niet bekend, aangezien 'Chemcad' aangaf dat

er geen verlies van benzeen optrad. In werkelijkheid zal er wel sprake zijn van een verlies.

Dit werd geschat op ongeveer 3 ton per jaar. Voor de bulkprijs van propionzuur wordt

70% genomen van de prijs die in [1] vermeld staat (per 251). De prijs van waterstofperoxi-de komt uit [12].

De kosten van het koelcircuit zijn benaderd. Een koelcircuit kost ongeveer 3 maal zoveel als koeling met water. Het elektriciteitsverbruik van de pulserende zeefplaten kolom is ge-schat op 600 kW. De roerinstallatie gebruiken ongeveer 290 kW aan elektriciteit [4]. Een overzicht van de verschillende variabele kosten wordt gegeven in tabel 5.

(29)

•

I I

Tabel 5: De variabele kosten.

prijs prijs verbruik kosten/jaar (x/ton) (Wton) (kton/jaar) (Mfl)

propeen 395 $ 671.5 109.4 73.49 benzeen 362 $ 615.4 0.003 0.002 waterstofperoxide 500 DM 570 180.0 103.0 35 mol% propionzuur 7610 2.02 15.34 water 2.5 36 0.09 stoom 3 bar 22 353.9 7.79 stoom 10 bar 24 494.5 11.87 stoom 40 bar 32 91.6 2.93 koelwater 0.05 43500 2.18 elektriciteit 0.10 tl/Kwh 1639 kW 1.31 koelcircuit 432 kfl/jaar 0.43 TOTALE 218.43 KOSTEN 7.4 De indirecte kosten

De indirecte kosten, ook wel de 'plant overheads' genoemd, zijn de kosten die op het fabrieksterrein worden gemaakt. Bij evaluatie van processen worden deze kosten vaak als vast percentage genomen van bijvoorbeeld de loonpost en de onderhoudspost. De hier gebruikte nonn is: 75% van de produktielonen + 50% van de onderhoudskosten [19]. Met de eerder berekende waarden voor de loon- en onderhoudskosten komt dit neer op 4.43 miljoen gulden per jaar.

7.5 De investeringsafhankeli jke kosten

De investeringsafhankelijke kosten maken deel uit van de kosten die vaak als vaste kosten worden omschreven. De meest belangrijke vaste kosten zijn de kosten voor rente, afschrij-ving en verzekering.

De premie voor de verzekeringen kan soms oplopen tot 1 % van de omzet. In dit

fabrieksvoorontwerp is gekozen voor een percentage van 0.7%. Bij een omzet van 109.44

(30)

•

i i

•

I

•

'

.

•

Mfl per jaar bedragen de verzekeringskosten hierdoor 0.77 Mfl per jaar.

De hoogte van het bedrag dat men jaarlijks kwijt is aan rente en afschrijving, is sterk afhankelijk van het afschrijvingsmodel. Per periode bepaalt dit model namelijk de hoogte van het bedrag aan rente en aflossing gedurende de looptijd van de investering.

In dit fabrieksvoorontwerp is gekozen voor het zogenaamde rechtlijnige afschrijving. Bij deze methode wordt jaarlijks eenzelfde bedrag afgeschreven, waardoor de waarde van het object lineair met de tijd afneemt:

a-s

R =

-r

n

Waarin ~ de jaarlijkse afschrijving is, a de waarde aan het begin van de afschrijving, s de

waarde aan het einde van de afschrijving en n de afschrijvingsperiode in jaren.

Als afschrijvingsperiode is 11 jaar genomen [19. tabel IV-5].

De waarde aan het begin (a) is gelijk aan de investeringen. Aan het einde van de

afschrij-ving wordt aangenomen dat de fabriek nog 10% van zijn beginwaarde bezit (s).

Voor de jaarlijkse afschrijving wordt nu 16.24 miljoen gulden berekent. De investeringsaf-hankelijke kosten zijn nu 17.0 miljoen gulden per jaar.

7.6 De kosten van het proces

Uit de voorgaande paragrafen kunnen de totale jaarlijkse kosten worden berekend. Het resultaat staat in tabel 6.

Tabel 6: De kosten van het proces

I

Bedrag in Mfl per jaar

Semi-variabele kosten 1.53

Variabele kosten 218.34

Indirecte kosten 4.43

Investeringsafhankelijke kosten 17.00

TOTALE KOSTEN 241.30

De totale kosten van het proces zijn dus per jaar 241 miljoen gulden.

(31)

•

I ~ \,/(J(O r U

1 ,.

7

,

7

4e

7.7 De inkomsten van het

proGéS"

v (<E'( II lJ~ ""'-« .. -.l .

De inkomsten van he}

yr~

worden verkregen door de inkomsten uit de verkoop van de

produktstro~m ciétoxide. Er wordt 150 kton per jaar propeenoxide geproduceerd met

een prijs v 729.6 ulden per ton. Zodat de inkomsten voor dit proces 109.4 miljoen gulden bedra .

f)... 00

°'"

7.8 Economische evaluatie

De kosten van het proces (241 miljoen gulden) zijn veel groter dan de inkomsten (l09 miljoen gulden). Het proces volgens dit ontwerp is dus verre van rendabel. Het proces is zelfs niet rendabel als je alleen de variabele kosten in rekening brengt. Het heeft dan ook geen zin om rentabiliteit berekeningen uit te voeren.

Een van de grootste kostenposten is het waterstofperoxide (omdat dit zelden op zo' n grote schaal verbruikt wordt), bij het produceren in eigen beheer zouden deze kosten eventueel

verlaagt kunnen worden.

Een goede reden om toch voor dit proces te kiezen is het feit dat er bijna geen milieuon-vriendelijke bijprodukten ontstaan, wat bij de tot op heden gebruikelijke processen wel het geval is. Hierdoor zal in de toekomst de propeenoxide prijs misschien gaan stijgen,

bijvoorbeeld onder invloed van milieuheffingen. Ook is het mogelijk dat er subsidie gegeven wordt wat de investeringskosten zal doen dalen. Als er uitgegaan wordt van een verhoging van de propeenoxide prijs, verlaging van de waterstofperoxide prijs en subsidie-toekenning kan er wel winst gemaakt worden. De inkomsten kunnen bijvoorbeeld stijgen tot 200 miljoen, de kosten dalen tot 185 miljoen en de investeringen tot 150 miljoen. Nu kan er wel een return on investment (ROl).

ROl = 100%

De ROl bedraagt dan 5.8%, wat toch nog een erg laag resultaat is. De internal rate of return (lRR) kan iteratief berekend worden volgens:

C

1="

ft

L...i (i +

11

De netto cashflow (Co) is in dit geval toch nog te laag om een redelijke IRR te krijgen (lRR< 0.01 %)

(32)

•

8 SYMBOLENLI,JST

•

a

=

waarde aan het begin van de afschrijving

A

=

warmte uitwisselend opperv lak

•

AUC

=

Average Unit Co st

Cf.j

=

complexity factor per functionele eenheid

C_n

=

netto cashflow

•

_Cl

₌

_{plant cost index}

Cp

=

soortelijke warmte

•

di

=

binnendiameter van de buizen

do = buitendiameter van de buizen

f = procesafhankelijke factor

•

Fm

=

de materiaalfactor

F_p = de drukfactor

•

Ft = correctiefactor

Fti = de temperatuurfactor

• =

filmcoëfficient van het medium in de buizen

= vervuilingscoëfficient in de buizen

=

filmcoëfficient van het medium in de mantel

• =

vervuilingscoëfficient in de mantel

Is

=

investeringen in de proceseenheden

• =

investeringen per functionele eenheid

IH

=

investeringen in hulpapparatuur

IL

=

investeringen in niet-tastbare zaken

•

₂₄ I

I

·

[fl] [m2]

Cf]

[-] [fl] [-] [J/kgK] Cm] Cm] [-] [-] [-] [-] [-] [W/m2°C] [W/m20C] [W/th20C] [W/m20_C] [-]

(33)

•

lRR

=

internal rate of return [-]

•

lw

=

het werkkapitaal. voorraden. cash en terreinen.

k

=

factor (continu, discontinu) [-]

•

kw

=

geleidingsvermogen van het buismateriaal [W/m20C]

m

=

degressiefactor [-]

M

=

molgewicht [g/mol]

•

n

=

afschrijvingsperiode [jaar]

N

=

aantal apparaten, exclusief pompen [-]

Pi

=

procescapaciteit per functionele eenheid [kton/jaar

I

•

Q

=

warmte getransporteerd per tijdseenheid [Wl

ROl

=

return on investment [-]

•

~

=

jaarlijkse afschrijving [fl]

s

=

waarde aan het einde van de afschrijving [ fl]

Tb

=

kookpunt [0C]

•

tlT'm

=

logaritmisch temperatuurverschil [0C]

t~Tm

=

gemiddelde temperatuurverschil [0C]

•

U

=

overall warmtetransport coëfficiënt [W/m2o

q

11

=

viscositeit [Ns/m2] À

=

warmtegeleidingscoefficient [W/mK]

•

p

=

dichtheid [kg/m)]

•

• ₂₅

•

(34)

•

9 LITERATUURLIJST

1. Aldrich, Catalogue handbook of fine chemicais, Brussel (1988). 2. Chemica! Engineering, februari 1992.

3. Chemiekaarten, gegevens voor veilig werken met chemicalien, 4e druk, (1988).

4. Coulson, J.M., J.F. Ricardson, R.K. Sinott, Chemical Engineering, volume 6:

design, Ist ed., Pergamon press, Oxford (1991).

5. Dechema Chemistry Data Series, Dechema, Frankfurt (1979 e.v.).

6. Dillon, C.P., Corrosion control in the chemical process industries, Mc Graw-Hill,

USA (1986).

7. ECN (European Chemical News), maart 1992, 57(1509).

8. Eremed, F.F., CE Refresher chemical engineering, vol 63 (1956), blz 211-214.

9. Guzechak. O.Ya., B.Ya. Stul, e.a., Neftekhimiya, 19Ró, 26(2), 272-6.

10. Hancock, E.G., Propylene and its industrial derivatives, Ie druk, Ernest Benn

limited London & Tonbridge (1973).

11. Hydrocarbon process., november 19R5, 2, 166.

12. Hydrocarbon Process., november 197R, 2, 107-108.

13. Interox chemie b.v., dokumentatie waterstofperoxide.

14. Janssen, L.P.B.M., M.M.CG. Warmoeskerken, Transport phenomena data companion, tweede druk, DUM, Delft (1991).

15. Krishna. R., Collegediktaat Scheidingsprocessen II. lecture 3. TU Delft (1991). 16. Malcolm, T.CL., H.I. Baird, CHanson, Handbook of Solvent Extraction, Ie druk,

John Wiley & Sons, New York (1983).

17. March, J., Advanced Organic Chemistry, Reactions mechanisms and structures, 2nd ed., Mc Graw-Hili book company. New York (1977), blz 748-751.

18. Montfoort, A.G., F.A. Meijer, A. van der Ham, Handleiding voor het maken van een fabrieksvoorontwerp, TU Delft (1989).