Fabrikage van cyclohexeen door gasfase benzeenhydrogenering

. r . ~

o

o

I

1 ft ()

o

o

o

l

_{I .}

0-I

r

o

.

"

.

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van . ,

W.F.M.van der LaanjH.W.Weterings

onderwerp:

Fabrikage van CYCLOHEXEEN door

5

. ...

~~~~.~~~

...

~~!!-.::~~.~!~~.~~~.7.~~:::~

...

.

, .. ." I~ adres:

2

e

Schuitstraat

256

DenJIaag

Julianalaan 88

Delft

\

opdrachtdatum :

15

sept.

1979

-~ - 1 ~ '~----c-~1980 verslagdatum : .I. J.an:' ,

. ,

o

.... I 1 ~..."..,...-... ~~ ... Jf".,. ~j MI· __ ~_'*"" __ '''''''''''öI·\'''''_J''''.''''_''''_._''''_''''_~

...

..""",# ... _ ... , ... _ , _ , ... "",''''''''~I''.''''''·''i''' __ '''''.'~''';t"""'''''""-,,,,,O

o

'

..

o

o

o

o

o

o

o

o

o

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

(î INIIOUDSOPGAVT"';; ============= SA: iENVATTING l-:ONTLUSIES INLEIDING HOOI"DSTUK I :

deel I-~\.: de,~l I-TI:

UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTiillRP Externe ge~evens .

Inherente ~egovens

HOOFDSTUI: I I : DESCrUnJVING VAN HET PROCES

deel II-A: Reaktor en eerste absorptiesektie deel II-B:

de81 II-C: deel LC-D:

Extraktiesektie

De tweede absorptiesektie Extra voorzieningen

HOOI"DSTUE I I I : Trr:sn:·10DYIIAf.iISCIIE-, FYSISCHE- EN

PROCES-deel III-A: de'.'l III-D: deel III-C: IIOO~DSTUJ: IV : deel IV-A: deel IV-u : deel IV-C: deel IV-D: deel IV-E: HOO?DSTUE V : IIOOFDSTUE VI : GEGEVENS

Thenilodyna!!1ische geGevens Fysische Gc~evens.

ProcesGegevens

BEREE:::::NING VXN DE AP?AHATUUR ]~ompressoren.

Warmtewisselaars , koelers, kondensoren en reboilers.

TIeaktor. EoloTnmen

Opslag-, absorptie- en sCheidinGsvaten [.lAS 5AB.ALANS l~vAmITEDALA.NS, Km·lPONENTZNSTlL\.T

IvIassa- en 1Varmtebalans. Komponentenstaat .

APPAI1.:''\.TENLIJST. HOOFDSTUE VrI: KOSTENDE:r8E~~1'nNG LITERATUURLIJST • BIJLAGEN SYl'~BOLENLIJST PTIOCESSClillnll .. i i i i i i 1

3

7

7

8 8

9

15

17

27

47

49

57

62

69

74

82

84

86

129 133

j

( ( ( ( ( ( (

I

_I

c

()

o

S MIE N V A TT I N G

In dit fabrieksvoorontwerp wordt een cyclohexeenfabriek beschreven. De capacitei t van de fabriek i s 13000 ton per jaar bij een produktie tijd van 8000 uur per jaar.(kontinu bedrijf)

Het cyclohexeen wordt uit benzeen en waterstof gemaakt door gasfa-sehydrogenering over een selektieve Ru-silica katalysator. Als neven-produkt wordt cyclohexaan gewonnen.(3000 t on per jaar)Oe hydrogenering vindt Blaats bij ongeveer atmosferische druk en een temperatuur van 20 tot 60 [ .

Net gevormde cyclohexeen en de overmaat benzeen worden door absorp-tie in een gepakt bed absorptiekolom uit het produktgas van de reaktor gehaald.Het absorbens is een zilver-,magnesiumfluoboraatoplossing.Na de desorptie wordt het be~zeen-cyclohexeen mengsel door extraktie met tri-ethyleenglycol in een rotating disc contactor gescheiden.Er blijft een 95~ zuivere cyclohexeenstroom over.(technisch zuiver)

Het gevormde cyclohexaan wordt niet door het absorbens geabsorbeerd. Afscheiding hiervan gebeurt in een partiële.kondensor na toevoeging van de voedingsbenzeen.Het kondensaat bevat naast het cyclohexaan ook ben-zeen.Het benzeen ~Jordt door absorptie in de zilver-,magnesiumfluoboraat-oplossing in een mi xer- settler afgescheiden.Er blUft een vrijwel 100% zuivere cyclohexaan over.

In dit i'abrieksvoorontwerp i s vooral aandacht besteed aan de bere-kening van de absorpti ekolom, de extraktiekolom(R.D.C.)en de partiMle kondensor.

Het proces lUkt vr U kostbaar te zijn.Dit komt door de grote investe-ring in de absorptiekolom(inclusief korrosief Ag-zout) en de rotating disc contactor en door de hoge kosten voor het recyclen van de water-stof stroom.

-i-( ( ( ( ( ( ( ( ( l

o

(' KONKLUSIES

Uit hoofdstuk VII blijkt dat wanneer benzeen op het ogenblik

f

760,-/ton kost, het cyclohexeen uit deze fabriek voor

f

1730,-/ton verkocht dient te worden. Dit lijkt veel te duur. Misschien dat verfijnder rekenwerk

- i i

-het proces iets goedkoper maakt, maar verder zal verbetering gezocht moe-ten worden in veranderingen van het hier beschreven proces. Enkele sug-gesties zijn:

~. reactieomstandigheden: Daar verandering van druk en temperatuur slechts weinig mogelijk is zal een nog betere katalysator ont-wikkeld moeten worden. Een katalysator welke een hoge selectivi-teit behoudt bij een conversie van 100%. Oe extractiesectie is dan niet meer nodig.

1.

De partiële kondensor H9 met aanhangende vloeistofabsorptiesectie zou waarschijnlijk vervangen kunnen worden door twee met molzeef gevulde kolommen welke het geproduceerde cyclohexaan afvangen. ~. Oe dure recycle van waterstof en cyclohexaan zou verminderd

kun-nen worden: Er wordt een met ammoniak gekoelde reaktor gebruikt om de temperatuur in de hand te houden.

~. Wanneer het cyclohexeen uit deze fabriek niet als cyclohexeen doch als tussenprodukt gezien moet worden zou het economischer kunnen wezen een ander scheidingsproces te nemen: selectiefchemisch modificeren van het cyclohexeen gevolgd door destillatie.

( ( ( ( (

r

(0 IJ (I ( INLEIDING - i i i

-Bij de werkgroep katalyse van prof.dr. J.J.F. Scholten wordt op dit moment onderzoek gedaan naar nieuwe katalysatoren voor de gasfasehydro-genering van mnzeen naar cyclohexeen. (De gasfase geeft door een kleine-re verblijf tijd van de kleine-reactanten in de kleine-reactor dan de vloeistoffase minder kans op de volgreactie naar cyclohexaan)

Een Ru-katalysator geeft bij deze hydrogenering een hogere selecti-viteit naar cyclohexeen dan enige tot nu toe bekende katalysator. Hoewel deze katalysator nog lang niet de voor commercieel gebruik gewenste eigen-schappen heeft leek ons toch zinvol nu reeds te kijken wat er met het uit de reactor komende mengsel van benzeen, cyclohexeen, cyclohexaan en water-stof moest gebeuren om een zuivere cyclohexeenstroom te kunnen afscheiden.

Uit cyclohexeen kunnen o.m. adipinezuur, maleïnezuur en verschillende polyesters gemaakt worden. Toepassingen o.m. synthese van nylon en p.v.c.-weekmaker ( l i t . 1)

<-( ( ( ( ( ( ( ,

n

- 1

-HOOFDSTUK I: UI TGf'. .. nG~PUNTE1J VOOR HET O~'rT'·.!"SRP =~=~~~=~~===~=~~==~====~====~=======~=~===~===

CAPACIT"SIT

:

Je

ze

fabriek produce9rt

130

44

ton

cyclohexeen

en

2984 ton

cyclo

hex

aa

n

per

jaqr

.

Aangenomen Dordt dat de

fabriek

8000

uur per

jaa

r

in b er..

I' ~j

f i s

.

:::;:?~~CI?ICArrL~ JRmm- ~N HUL?::)TOFPSn:

waterstof: 305 4 ,4 ton/ja

a

r

nruk

:

2

,

.1

b~r

a8so1

uut

temperatuur:

20 C

Sc., cmens~el'l'ng,.I u - ' - . • ' 9~ ~d I~ .,-, ) ,C) '2

en 7

. , ~d ) , ~ ~nert -'- ::J

aas

(CT,

L

4-

)

benzeen

:

17313,

6

ton/j

aa

r

d

ruk: 1,0

bar

a~soluut

(vloeibaar)

te~peratuur:

20

C

samenstelling:

lUO~,z~avelvr~e

benzeen

~oelwater

:

1,

99

10

6

rn

3

/j

a2

E

'

temperatuur: 1

5

c

l

-s8me

nstellin

g

:

b.v.

rivierwater

!l

s

tOOr:1:

6

,

81

10

'+

ton/jsp_r

.

d:cu

k:

4

'03.1'

absoÓl.mt

(W

-

stoom)

t

e

Ti1perstu'J.r

:

1

90

C

,

..

'..J'~

e~tr8~tiemi1del:

1

9

,6

ton

/

jaar

druk

:

1,

U

bar

a~soluut

(vloeis

to

f)

temp

e

r

a

tuur

:

20 C

sarn~nstelling: tr!~thyleenglycol

met

een

spoortje

water

aOEo

or

'ptiemiddel:

~~rtreedt

ge8

n

v

erlies a9

.

n

absorpt;i(~rr:ïd­

d~l

op

.

(

hooguit

wat

v2r~ics

aa

n

~ater)

zie

ook hoofdstuk

:::11

samenGt

e

l1ing:

C

, l

I,:T/.AgB'FL!.

+

1,.8

l'iI r.1~(BF4)2\

2

1

ectrici

t

e

i

t:

1

6

l

C,6 ki,'lh/jaar

(Het

totaol

benodigde vermogen van de

kom-prC'ssor

o

n is

11.12

,1

k'

:r

.m.

,i

een rendem

0

nt V9n

80

%

tr

ekke

n

de

komr

Y0

ss

orcn

14

2

7,8

kW

van

het

pl~ctriGrhe

net.S

a

men met de

benodi

gde

electricit

8

i t

voor

pompe

n,ro

er

motoren,me

e

t-en

r8~e12pparatuur,verlichting

en

leidin

g

-verwarming

schatten

we

'

de totale behoefte

op 2000

k\'/. )

c

( ( ( ( ( (

o

:2

-K.i\.T .-\LYjATOR:

~oRls

reeds

eerde

r vermel

d.

is,j.s

de

kat~lysator

voor

de

~as­ f~sebenzeenhydrogenering

n

aa

r

cyclohexeen

nog in de

o

n

t

wi

kke

lin

gs

-fase .Dn~rom

v

a

l t

hierover nog

we

ini

g

me

t

zekerhe

id t

e

ze~~en.Zeer

v:é1~'rsch;inl:.ik

garü

he

t

hi

G

r

om een;

}-{u

th

e

niumkata

.

lys8tor

o

p s

i l i

c8

2

1

s

dr8ger .~~uthenium

geef

t

n

.l.

de

hoogste'

se

l

ec

tivit

e

i t n

aPT

cy

-c

lohexeen

v

a

n

a

l l

e

overgangsmetalen.~e

s

p

lectivit

e

i t

wordt

be

t

e

r

n

aa

rmat

e de nktiv

it

ei

t

afneemt.

De

o

orz88

k

van

d

i t ver

sc

h

ij

ns

e

l

wo

r

rl

t

gezocht in

een

v

e

r

a

ndering

v

a

n

het Ru

-o

ppervl

ak gedure

nde de

r

eak

-t i

e

,b.

v

.

doo

r

k

o

olafzetting

t

Ude

ns

kraken of door oxidatie

ten

ge

-v

olge

v~n

ee

n

spoortje zuurstof

in

de

voeding.B~

het

lopende ond

e

r

-zoe

k

~ordt

ge

tr

acht

het

oppe

rvlak van het

R

uthenium

zodani

g

te

mo-:

difi

ce

r

e~bi

ele

,

.m

eer

se~ectieve

k

ata

lys

ato

r

ontstaat

,

b

.

~

.

door

alliage

vor~ing

me

t

Cu, ~e

of

do

or inbouw

van

het

?ut~enium

in

si

-l i

ca

liet

.

Je

in

d

i t

voo

r

ontwe

r

p

gehL:nteerde

temperatuu

r

ran

ge

voor

de

r

e

-8ktor

is

geba

.

see

rd op Ruth

en

i

um

als kata

lys

a

tor

:

'russen de

2

0

en

de

6Uo~

hebben we een sne

l l

e hydrogenerings

r

eak

tie

e

n

ee

n

l

nog) l

ang

-zame kraakreaktie

.

Bove

n

de

60

0

0

zal door koo

l

afze

tting

de kataly

-sator te snel deaktive

r

en

.

Eet Ruthenium

i

s

zéé

r ge

'!oelig voor

v

ero

rL"tr

e

inigingen

.

3r

dient

d

a

n

ook met een

zDavelvr~e

benzeen voeding gewerkt

t

e

worden

.

SPO:;C I FI CJ..'.I' I:S ?R OJ lTY '1' S TR O=.:::~~

:

cyclohexeen

:

cyc lohe:\:?a

n:

spuigas

:

13

0

4.4

ton/ja

a

r

1ruk

1 bar

abso~uut

(vloei

s

tof)

temperatuur

:

20

0

samen

s

telling

:

95%cycohexeen

4 81::;(<1, '.~enre0·l

, --' / - V' L..J ... J. ... G, l5;'~ T .}~.G.

2984

ton

/

j

nar

druk

:

~

ber absg

Juut

t

ern·pere

.

tl..

mr

:

30

B

Gamenst~lling :

1

00%

cyclohexaan

435

7

t

on

/

j

mi.r

druk

:

1,3

bar

R~soluut

t

e

mper

a

tuur

:

2

0

C

samenstelling

:

5I, 9~

cyc

l

ohexaan

42 , 45(,

wa

ter s tof

5

,

2

5~

me

thann

0

,

3

~(,

benzeen

( ( ( ( ( ( ( ~)

n

I

(1

Deel

I-B:

INHERENTE

GEG~V-r.;N~;

~~---V"SIL

IGHEI"!)

:

cyclohexap.n

:

explosiegrenzen

1,2-8,3 vol.%

in

lucht

':: r:

ter

st

0

f

be

nzeen

KORROSI~ASPEKT3N:

mac-wAarde

~OO

ppm

r;

xplosie

₀

Y'enzpn

explosiegrenzr:m

mac-waarde

4-75

vol.~

in lucht

1,

2

-8,0 vol.

%

in

lucht

25

ppm

J

-De

absorptiev

loeistof

is zeer

korrosi

ef

.

Daarom

zal

a

lles

,wa

t

in aanraking

komt met deze zoutoplossing

:

uit een korrosiebestendig

materiaal

gemaakt

moeten

z~n.Uit

de

liter

atuu

r is niet

duidel~k

we

lk

materiaal gebruikt kan

worden.VoornaDel~k

om de invloed

op

de

kostpr~s

aan

te kunnen geven in

hoofdstuk

VII hebben

w~

-m

eestal

-ge}

'

oz

e

n voor

RVS 313

.Het

l~jkt

ons goed mogelijk do.t RVS 316 na

kor-rosietesten

ondeugdel~k

blijkt te zijn. (Voor het pakkingsmateriaa1

vqn

de absorptiekolom

hebb

en we

keramisch materiaal

gekozen:alter-natief

voor RVS 316

keramische binnenwanden of plastic-coating.)

( TAD~-=-

1

-1

f::.rsi~C'h8 CO~lst2-:1te (

:

.

,

°

1 t?

1,:':. ~.:

1

~;

:o;

'.

::ic

h t ~ r 'J 0 : -:J L: ~'"'.

t

( oe)

( _.,

è.

i

cht:!F:

i

rl

~/'~'!l

(2()oe)

viscositeit(2CoC)

~.::;r~t:. "Coi se ( ~ Qn~ -;.'~("'oo,,)

°

_.

..

~. ~

.-:

nn

-,-_,

.

,

C. v . -~.:

:/'n (' si

r.::1

.ó.

E

r.~·l/

g

25°C

v

( _{b • ~~ .} .6.~~.r () :-i: ~! / ~c 1

(

.

:

") ,-

_.h _ J

c

_{~ )} ( ! ~ .. ê, \ , ~ -'

.

(

_

.

lo

~}t

₌

3 _:3 -

_ . _

-_10 _1\

,

i

,~

1..J '- J I

-( " '. '

C

=

;.

:

.

_

:

T r-C'

T

L

" _. ~ , / ' (J .• b , , _{(' " .L, UO 1. ~,}

(l:Lt

.

c)

C;

,

°

C r ...

l

/o:;

K

"1

( n

vrieS'-l

'

nt, ..

, ) , ,

(lit

.

'))

_ L~ _

B SNL:;=~=1J

CYC

I.OEEXtAN

CYC10HEX~EN

78,1

08

81'.

,1

56

82,1t10

80

,

1

80

,7

38

82

,

979

O

,

87,?

O

l

0

,77855

0

,

8

1

096

0,7~27

1,258

-28

,88

2t1

,

30

26

,5

t1

1

('3

,57

93

,

·8

1

96

, 83

94

,1

L

85

,

t!

88

,

4

7

1;;,82

_,,)0 L7. t ___ "' . /

-1,7

2

6

,

90565

6

,

8

L Ar C?

8

6

,88617

1211,033

1203

,

526

1229,

9

73

?20

,7

J

222

,

863

224

,1

0

/

,

St1

-1

2

,

46

-9,1~

-

/ ' 7

10

3

l

·

,3

10

)

_131,9

90

,

37

1~3 , 2

_u

-

36,67

1

0

6

-

5[,94

10

6

-57,1

10

6

0

,

4

17

8

0,

t13

1

5

₀

_,

₁₃₃₃

_(25°C)

₀

_,

₄₃₈₃

₍

_20°C

₎

(

300

K

₃₂₀₎

5,5

6

,

,

55

-1

03

,

,50

-(gc~evpns in

tabel

I

-I

kome~

uit

lit.

12

,

tcnzU Anders vermeld)

.

<. T_r~ _dj~~ n ·!.'T _{:~ - 1}

_ve

_r

_volg

fy

s

j. sc~:c CO~lst8.nte ( :;'01el~1;1;1 ~:e\·,'icrlt ~ r 0 0 ~.: ';J t~ ~'l

t

(oe)

( ,', ,:l ' 'h'>-' . , L> /1'::1 " lC ..

L.:1r:l

Cl

("",o

~\.J

e

)

y;

~r.o:.

:

jt(;i

_t

₍

_20°C)

c:

::

,

t:r:oise

c

o~~ . 2 ""

n!li~1 ~

(

20°(; ) ~1 :,':1'"' 2/ (' r'1 6H

c"

l/g

')e:; 0"

,

.

'--.-' li .-( _!J.-:;. ~I~.r.o ~ • \.~ ~'.:: / ~: 0 1 ;

(

') c:; ,\ , 1 --.' : . (

_1it.

~~ \

-

'

'.

lo::}'

₌

3 ...., .:J ., -

_

.

-..;... ( ~-J I' \ , I IJ \ >J'; .-• J

1

v

,

~ "l , , _ r _-;~ _'l

,c

T

,,

-v - ,. '" :~ (" r, 1 Irq r ... ' 0 ~/ .. b , _. / " " J... _ , (

li

t.

")

(; I'

("

-

l

/;

°y'

" _'" ' l .L . (0 )

vrleS:-l:nt

l, • I.~ ~J (

lit

.

,)

)

-

5

-WA

T

E

R

/

:

BSORPTTSMIDDEL

VI!,T~RSTOF

1

8

,

0

1

6

' )

₀

l....,

1

0

0,

0

0

,

9989

7

3,,0tf1i

0

,

659

0

(

LLO°

r.)

1

0

_,

OJu:

7

2

,7

5

582

,

78

539,8-;;

,

7

,

9663

1

1

668

,

21

228

, 0

i

6,,62

ir-8

,

22

"

';; _{r Tt} 0,

1

5

10

"

,I

810

1

0

6

0

Ir

1,

34

I

(

20°

C

)

_' , ..1';

1,

0

1, 7~rrr

( gC~0V0!lS

in tabel

1- 1 kome~

uit

l i t

.

l2

,

tcnzU

nnders

YerneJ~)

ff

:l

i

t.

2

( T,',.m':~ T

_-

_{1 verv}

o

lg

fy si SC~H'~

cO!lsté'lntc

(

:Tole}:l;ul

~~.; e;:;i c r~ t ~.r Cl

° '

~r

:.:

re

t

( O

e

n

( ~ è. i eh

t:1

r;

i

è. '-"/:>;1

(20°

C

)

vi

. ~ c:cor.~ ... . ~ ...> . ..L

t"'i t(

ç ... °' -0°(; ~ J ~::Ylt:'1:'oi:e ( O~':l. L' ~ ..., n!l"; '1 .,. ( r)

0

0 , , ) ,--' • r . l ... J...._ ~ '.:> c.... v d :_r~~ ;3/ ~~ "

,:j.

H

_{(; .}

_'

_"

_1/

g '1 ç-.... ' " '.[ ::.) V ( _b

.

_p. ..c:.,'!f' _, 0 h~ pJ / ,,:01. ( ')1;:(" , ') :..-- ' ,' I ( l . , _l":

(', !

-" 2-0~?

=

'3

- - - - -

:3

t

(

<] , ' \ .-'" , t

I

'" / .. ~ v I 'J ~ ... " =::: Iv _,- - "::'1' rr m"-.L '" !) ,-

b

C' .r

1/

rJ 0 1. !\ (

_lit

_.

0 ) r; C I

°

.,..,

('

:-~

1

/'

;

K :'1 VT' _

ioc::

... _ '~\

;

_ ' l _ v

+

(

0" ) ',I (

_lit

_.

₅

') I ~) ",-,"""', ~. .... .... '.: ... .

-

6

-T .E~G. D .M. F. 1',rsTH1,AN

1

50

, 1

(

l

i

t.

9)

73,,0

9

4

1

5

,

999

2

7

8

,

31

( }jo

t

.

28

14

9

,

56

0.=

1, 1

40::

,

-

₀

_,

₉₄₈

₇

₃

- 0,

0008

.

t

(

°C)f.'

:;),

02

10

-

3

.. Ür .L ;,

0

,

92Ll3

=

-0, 88.t_i, ( ~C)

₃₆

_,7

₆

1-4

7,

33

155

,

36

1

25

,

37

9

,

6396

6

,

99

6

08

-

3726

,

2

1437

,

8Ll

0

; t

(

°K)(lit

2

8)

1

9

9

,

8

3

5

,

43

' ' 1.=f,

11,

5

'lf

i

l

0

lif

F

0

,

55

i/ti

_0

_Ll

(

_l

_it

_.

₂₉₎

.I , \

(Gc~eve~s i~

tabel

1-

1

kome~

ui

t l

i

t.l

2

,

tcnzU Ande

r

s

ve

r

meld)

#

:

l

it.

30

##

:

gescha

t

m

.b.v.1.it.

2

.,

-,

L

r I.

-

7

-HoorDSTUK 11: BESCHRIJVING VAN HET PROCES

====================================================

Deel II-A: REAKTOR EN EERSTE A8S0RPTIESEKTIE

De in reaktor RIO komende gasstroom bevat o.m. benzeen en water-stof. In de reaktor vindt de volgende reaktie plaats:

@

T

l

H

_t

~

(Jl

(+

Hl.

~

0)

(conversie 40%, selektiviteit 71 mol%, neven- en volgreakties cyclohex aan-vorming en kraken. Dit zijn aangenomen cijfers, aangezien er nog geen

be-kende katalysator is. Zie ook de inleiding)

---O~~~~ te verminderen mag de temperatuur in de reaktor niet hoger dan .. ~ê.Q.. C worden. Het uit de reaktor komende mengsel wordt door de

absorptiekolom TIl geleid. In de absorptiekolom TIl wordt het benzeen en het cyclohexeen door een zilverzout geabsorbeerd (complexvorming met de pi-bindingen).

Niet geabsorbeerd worden het waterstof, de cyclohexaan en andere

inerte gassen. Van deze stroom wordt eerst 5% gespuid (stroom 16). Dit om het inerte gas op een constant concentratieniveau te houden. Het inerte

gas is al aanwezig in de waterstofstroom (stroom 4) maar kan ook door

kra-ken ontstaan zijn (b.v. methaan). De rest van het uit TIl komende gas wordt,

na te zijn gerecirculeerd, gekompremeerd in C4 t/m C6. Na deze compressie

wordt het gas gemengd met benzeendamp. Deze benzeendamp wordt gemaakt door

vloeibaar benzeen in warmtewisselaar H2 te verwarmen, in reboiler Hl te

ver-dampen en daarna in kompressor C3 op de juiste druk te brengen. In de

par-tiële kondensor H9 moet evenveel cyclohexaan kondenseren als er door reaktie

in RIO gevormd is. Wat er aan cyclohexaan in het gasmengsel achterblijft 'Î

wordt gebruikt o~ de temperatuur in ~lO in de hand te houden. Na H9 wordt

alleen nog maar waterstof bijgemengd en gaat stroom 9 de reaktor in.

Het geabsorbeerde benzeen-cyclohexeen wordt van zijn absorptiemiddel

gescheiden in een "stripper" T14. Het nu onbeladen absorptiemiddel wordt

te-ruggeleid naar kolom TIl. Eerst wordt echter warmte uitgewisseld met het nog

te strippen -absorptie-middel (in H12) en gekoeld ~n H13).

De damp die kolom T14 verlaat wordt in een luchtkondensor H 16

ge-kondenseerd en gedeeltelijk gekoeld. Het kondensaat is een mengsel van

ben-zeen, cyclohexeen en water. Het water wordt in vat V18 gescheiden van het

benzeen-cyclohexeen en teruggevoerd naar stripper T14. Het benzeen-cyclohexeen

gaat naar de extraktiesektie.

DE ELI I -B : EXTRAKTIESEKTIE

In de Rotating Oisc Contactor T23 komt het benzeen/cyclohexeenmengsel

in aanraking mat triëthyleenglycol (T.E.G.). Het benzeen lost beter op in T.E.G. dan cyclohexeen, zodat aan de bovenkant van de kolom 95% zuivere cyclo-hexeen kan afvloeien (stroom 46). Aan de onderkant van de kolom komt de met

benzeen en cyclohexeen verrijkte T.E.G. eruit. Deze stroom (stroom 31) wordt opgewarmd door de warmtewisselaar H24 en H27 en daarna in een stripper T29

wordt het T.E.G. weer ontdaan van zijn benzeen en cyclohexeen. Het gezuiverde

T.E.G. wordt na koeling (H27 en H26) weer boven in kolom T23 gevoerd. De damp (stroom 38) wordt in een partiële kondensor H31 gedeeltelijk gekondenseerd.

Dit kondensaat wordt als terugvloeiing in de extraktiekolom T23 gebruikt maar

dient eerst afgekoeld te worden tot 200C. Dit geschiedt in H2 en H24. (H2 wordt

gebruikt om de benzeenvoeding op te warmen) De niet gekondenseerde damp (voor-namelijk benzeen) wordt naar compressor C4 gevoerd (recycle).

l <-(

c

( - 8

-DE E L II-C: DE TWEEDE ABSORPTIESEKTIE

Het uit de partiële kondensor H9 stromende kondensaat (stroom 20)

komt in vat V19 terecht. Vat V19 is een mixer-settler. Hier wordt hetzelfde

absorptiemiddel gebruikt als voor kolom TIl. Daarom spreken we hier liever ook van absorptie dan van extraktie, temeer daar er een Ag-benzeencomplex

gevormd wordt. Het binnenste vat is het mixercompartiment: hier worden

kondensaat en absorptiemiddelgoed gemengd. Door gaten in de mantel van het binnenste vat stroomt het mengsel naar het buitenste vat: de settler. Door-dat er een groot verschil is in de dichtheid tussen de beide fasen kan de

settler erg smal zijn. Er is daarom gekozen voor uitvoering als dubbele

wand van de mixer. 80venuit deze settler stroomt 100% zuiver cyclohexaan (stroom 45). Onder stroomt het verrijkte absorptiemiddel. Dit wordt (ana-loog TIl en T14) verwarmd (H22) en komt in stripper T25 terecht. De (ben-zeen-cyclohexeen)damp uit kolom T25 kan niet direkt teruggevoerd worden naar kompressor C4 omdat er water inzit. (effekt water op katalysator: ver-giftiging) De damp wordt daarom eerst door een met voor water selektief werkende molzeef gevulde kolom geleid (T28, T30). Is kolom T28 verzadigd

dan wordt overgeschakeld op kolom T30 en kan T28 d.m.v. een

warmtebehande-ling opnieuw gebruiksklaar gemaakt worden (en omgekeerd). De gezuiverde absorptie vloeistof wordt afgekoeld (H22 en Hl?) en teruggevoerd naar de mixer-V19.

DEEL II-D: EXTRA VOORZIENINGEN

Aangezien er met het uiterst explosieve waterstofgas gewerkt wordt dienen er speciale vei ligheidsmaatregelen genomen te worden. Zo zal bij het

(weer) in gebruik nemen van de fabriek eerst alle zuurstof uitgedreven die- ~J~l n ent e wor den. (b. v. met s tik s tof) Ver der mag era bso 1 u u t g een 1 e k k ag e 0 p - '111 ; ~p ';"

treden. In geval van explosie dienen er breekplaten aangebracht te zijn. ~· •

Mocht ond ánk~~ede tef!1per atuillbehe-ersing dereak tor temper atuur t~~·.J~1VI\..:.J

worden dan kan een lK/l:'::-systeem een regelarslui ter naar de

a

ui openzetten .

".t-en gelijktijdig een regelafsluiter in de waterstofvoeding diChtdoen. Ook '

de ze s p u i is e x plo s i e g e v a a r 1 ijk: ge con t rol eer de ver bra n din g • . ..j ,,-,~

Het is ondoenlijk alle meet- en regelapparatuur binnen h~tkader van een voorontwerp te behandelen. We zullen slechts op een paar wijzen:

\~ \~6~ T.C. welke automatisch meer of minder stoom toevoert bij

re-\/

"'\~

"

"j?'

~

oil

e

r

Hl. Deze is vooral bij het opstarten van de fabriek belangrijk

'~../ ~f omdat dan warmtewisselaar H2 nog nietwerkt.

Door~de wachtvaten V15 en V21 wordt het opstarten en onderhoud van de fabriek

gemakkelijker gemaakt. ~len begint eerst sektie A: t1Reaktor en eerste absorptie" op te starten. V15 en V21 lopen vol.

Om de ontbrekende benzeenrecycle te kompenseren moet er een extra

hoeveelheid in Hl verdampt worden. In stroom 5 moet dus een FRC zitten,

1 I-~

welke H)-__ ~t. ~,., ', l ~.,->--\"'"

-Wanneer sektie A goed draait kan men -eventueel ook na elkaar- sektie B t1extrak-tie t1 en sektie C t1tweede absorptie t1 starten. Met enige speling kan men dus

~in of twee sekties gedurende enige tijd stilzetten. (Ook omgekeerd met volle

wachtvaten kan sektie A stilgezet worden terwijl B en C door blijven werken)

Bij het opstarten is verder een cyclohexaanverdamper nodig (of tijde-( 'lijk in de voeding meemengen) om het cyclohexaangehalte snel op het gewenste

.---( ( (

c

f " - I ()

-

9

-IIO,-jFDSTU}~ 111: THL:lLODYN""I .. fdISCrrE- , FYSISCHE- EN PROC:C::;GEG;~Vi':NS

=======~=====~=~===========================================~===

Deel lIl-A: Ttr~j:rIODYIU.nISCHS GEGEVENS

De hydroC'elleringsreakti(~s die met de katal ysator op kunnen

treden zUn:(alles in casfase)

1 -

C6 H6

+

HIJ.

>C 6

H

_s

Cyclohexadiëen

40:

C

b

Hb

\17,.

' )

+'l.

.:...- ₍

) eb

H,o

Cyclollexeen 3-

eb

\1

~

+

3

\-l

'l.

"

~

e6

H,il..

Cyclohexaan

Verder kan er Kréli"':ln~!. opt reden met vorming van methaan. ~·li ts de

proceskondi t i e s zoeli gekozen worden(zie deol III-C-katalysator/reaktor:

vindt er ,",'nen of' nauwe l i jks l,~r::d.::in,-:; plctats.

0e tI:'f)r~iodynajdica Geef t voor de ov;:,mvichtskollstante van de r cakties , .. 01J S t l : i t anc aar, cnJp:~ra t uur V.ln _ ~'5°C"

R

·T . Ln

'K~

-

LlS;

en ook

~S;

==

L\

A: -

T·

LlS;

. . . 111-1

De '.·;aarden van de standaard reaktie enthalpiën en -cntropiën vinden

He uit :

en . . . III-2

~ 5~

=

2:.(~çf)rroJl.4.k~

-

L(llÇ~)VE,.\d-~~+

In de onderstaande tabel II1-1 zijn van de komponenten de ,vaarden

vétn

.

~Af

en 6

S~

gegeven voor de 3,'asfase incl. de l i tera

tuurver-w lJZ ln3.

T,:CJ:3EL II1- 1 Standaardvorf!1ingsenthalpiën en -()ntropi~}n

Lomponent

~

H~

(j{Cal/Plol)

!jSo

f-

(cal/mol. j~) literatuur

i:3'Jnzeen 19.82 64.3 2,5,9, 12

Cyclohexadiëen

25

.

6

68.9 9

Cyclohcxeen

-

1 .72 74.2 9, 1 1

Cyclohexaan -2

9

.l~ 3 _71.3 1,2,5,9,11,12

~laterstof 0 _31.2 36

Met gebruikmaking van deze gegevens vinden ,."e lII.b.v. formule~

c

( (

c

( - 10 -l'1'e vinden:

r uakti c

AS~

₌

+

1J.7

kcal/mol oenze ()l l

reaktie 2

AS:

₌

_5.9

kc a l /rlOl b8nzeen

reaktie

J

~S~

₌

J2

.7

kcal/mOl benzeen

Ui t Îorr.lllle 11I-1 halen \,'e dat het Qve)nil"ich t aan de produktkant

l iC:t als de '''''élarde va~ :;~Î. heel

e

:

root en dus de Faarde van 11

zo veel wogel j)';: negat l e Î l So .'l. ... u

,,~ ; ' ~

Uit bovrmstailnde lijs t Lunncn '"e dan konkluderen da t er oP' .,\' . ' r

thermodynamischl~ gronden géén cyclohexadiëen zal worden ge- /~,'

vormd en wél cyclohexeen en cyclohexaan. De reaktie naar de l~'

laatste komponent l i g t thermodynamisch het meest gunstig. " , '

~\.ls

de selekti vi t e i t naar

cycloll

e

x

(,~

en

~

groot moet zijn

~

.

o'..!

clan zal di t clus door een selekt ieve k.a talysa tor gedaan moeten ! V"

worden. Dit is bij het voorontwerp dan ook gedaan.

;v

.. VORHNGSENTli.-\.LFIEE:N :

De vonningsenthalpi~n voor benzeen, cyclohexeen,

cyclo-hexaan en waterstoÎ z~n gegeven in t abel

111-1.

De cni:'~~e 1~Or;lTJOnent 1iQar wij nog' mee te mOlken kr ijgen is methaan

dat als i n,.;rt e-aso'::!standeel aam·:ezi g i .5 in de voeding2ivat cJ

r-stoÎ '.:n oo]~ door Lr::":';:in{,': Lau word<::n gc~vorfTlcl.

De vnr;-nin::;scö'nthctlpie van met llctan is:

=

17.

8ü9

kcal/mol lito

2(3.138)

GaSlase

De soortelijke warmte bij konstante druk voor de komponenten

in de gasÎase wordt algemeen weer gegeven met het verband:

cr

Cpb

=

a +

b.T

+

•. ..

111-3

' J

Hierin \\Toni t Cpu geg(~ven in cal /lJlol. E en T in K.

Dekonst anten a , b en c zijn voor elke komponent anders .

De waarden ervan voor de door ons gebruikte komponent en zijn in

tctbel

111-2

gezet met de literatuurverwijzing eroij. ( tabel:zie op

volgende blz. ) .

Het is regelmatig nodig om de enthalpie toename te berekenl]n

over een bepaald t Olllpera tuurinterval.

\Ie kunnen dan van een over di t interval gemiddelde soortel ijke

warmte gebruik malc~n die we vinden ui t :

1'1

f

C~

.JT

....,.-"

Na integratie ~b.~ vergQl~king

111-J

vinden we dan voor de

c

( ( ()

o

( )

I

- 11 _ 0 -Cp""

₌

a +

~.b.(T1+T2)

+ C.«T23-T1 3)/(3.(T2-T1))) .• 111-4

T.,\.DEL 111-2: COËFFICIENTSN

vo

o

n

VEHGELIJl~INGEN 111-3 en 1II-L~

komponent a b . 10 3 c. 10 6 literatuur benzeen

-

3. 51~ 90.37 -36 .67

₉

cyclohr:xeen

-

9

.

1 ,'~ 131 .9 - 5 7. 1 9 cyclohexaan -12.46 143.2 - 54.94

9

waterstof 6. 62 0 .81 0 2(3. 120) methaan 5.34 1 1 .5 0 2(3. 1 20) water 8. 22 0.15 1. 34 2(3 . 120 ) Vloei stoffase

Alleen voor benzeen hebben we voor de vloeistoffase een

verband al s in vergelijking 111-3 gevonden. 6 -6

ile co~fficienten daarvoor war en a

=

0.2 05, b = 331.0 .10 en

c

=

0 .069 .10-

G

•

Van de kO!llponenten cyclohexeen en cyclohexaan zijn all een maar

incident el e waarden gevonden. Zi e hoofdstuk I.

I/ij hebben aangenomen dat de ter:tperatuur afhankelijl'- van beide stoffen hetzelf de is als van benzeen.

Voor de vlouistoffase zijn drie temperaturen vun belang voor het

voorontwerp nl. 40 , 60 en 85°C.

Er is daarom sterJds de gelilidd';lde \Va.lrde over het trajekt 200 C tot

één der ~enocll1de t eElpera turen bepaald.

Voor benzeen vi a verGelijking II1-I~ en voor cyclohexeen en cyclohexaan

via de uit Je aaname af gel eide bet rekking :

I 1 I

=

Cp (benz'3en,20-T)+ Cp

(Ta) -

Cp(benzeen,To) • . • . . . 111-5

IIi erin i s TO de temperatuur waarbij de soortel ijke war mt e van de

komponent wel gegeven i s .

~/illen we de gemiddelde o;oortel ijke lvarmte weten over een t raj elct Tl~T2 dan zoeken ",e ui t de t emperatuur 20 , 40, 60 en 85 die op die

het dichtst bij Tl l igt en noemen di e Ta en die het dichtst hU T2

l iGt en noemen elie Tb. De gemi c!delde \.'laarde over het traj ekt Tl-T2

nemen we dan gel Uk aan di 2 over het trajekt Ta-Tb en deze vinden we uit:

Cp

~(Ta-

Tb)

=

Cpl(trajekt 20-Tb). (Tb-20) + •..

. ••. - Cpl(trajekt 20-Ta).(Ta-20) Voor de gemiddelde waarden over de t rajekten

vinden we: 20-40 o C 20-60oc

benzeen cyclohexeen cyclohexaan 0.4222 0.4456 O.1t370 0.4297 0.L~531 0.4445 20-60,20-40 20-85°C 0.4394 0.4628 0.451~2 • . . . 111-6 en 20-85 ••• 111-7

De waarden zijn gegeven iy kcal/kg.K en gebaseerd op

TG = 20°C Cp = 0. 4383 voor cyclohexeen(lit.12)

- 12

-Dit zUn zeer grofrc benaderingen voor de waarden van cyclohexeen

en cyclohexaan.

Voor de andere komponent ,)n 0 1 8 in de vlo()i~c;toffase voorkomen en

\vaarvoor ook ~lechts één \':aéLrcle bekend of geeeven is, hebben we

aangenomen cia t di e l..raard e over het e;chell~ telllpera tuurtraj okt

dezelfde i s : water absorptieoplossing : ext raktierniddel: VERDAHPINGS"iIARi'iTE:

=

1 Cp l:cal/lq; .l~

=

1. 70 kcal/ kg. j~ (zie bij Absorptieopl.)

=

0.S5 kcal/kg.1-: ( t r iët11yleene;lycol)

Benzeen, cyclohexeen, cyclohexaan (~n water zj~n de komponenten

di e zowel in ga~vorm al s in vloeistofvorm voorkomen in het

voor-ontucrp.

Van deze komponenten zijn de verclampingswarmt en nodig en wel bij 20°C en bij het kookpunt.

:)e verdampinc;swnrr:lte bij 20°C hl~bben \'/e nodig om r edenen die

bij l-w t vol:_:en( I e de e 1 worden be ~prokc,~n. lve vinden te '!laken van de in de l i t er.-::. tuur gCG·",vcn waarden

Er g.~Jdt :

hem door gebruik b(j 2Soc. i:' "/ .' t:>l .J '--.,

1-'''.'

,

=

( - . 0 '

-1)

5

.

Cp":> - Cp

lllet hi'.:rin de over het trajeLt van 20-~~SoC gemi ddelde Haarden van

het ~50ort(:L';k &;-eT •• ielrt .tW~

Bere[('cr1:!:rfg--ïC;ert----da t de 1·.'uarden van de verclarnpings\o1armt en b~j 20°C en bij 25°c.:; ,naar heel Iveinig verschi l l e n .

W1J hebben d'laroill <le waarden bij 20°C genoillen al s de waarden bij 2SoC.

In tabel I I I - 3 vind',"il we ze. ev(~nal s elie bij de kookpunten.

T,\.DEL 11I-J:

komponent

llHv

(

20 ° C, kcal/kg) B.P. (oC)

~Rv(

_{D. P. ,kcal/kg)}

benzeen 103.6 80.1 9L~. 1 4

cyclohexeen 96.8 8J.0 88.47

cyclohexaan _9J.3 80.7 85.4

"rater 582.8 100.0 539.8J

Deze eegevens zUn ontleend aan lito 12.

ENT1-lALP1E DIJ VERSCHILLKNDE T EN P

Gezien de kl eine drukverschillen ale optreden(, .. 2.5 bar) is

h,~t effekt van de druk op de enthalpri.e t e verivaarlozen.

De enthalpie bij e';~n temperatuur T vinden we ui t de t emperatuur

bij een t cmpcratvur TO(die gegov(~n i s ) In.b.v. (géén faseverandering)

T

heT)

=

h(TO) +

f

Cp.dT

=

h(TO) + Cp. (T-TO)

IC

Voor de bepaling van de warmtebalalls van do fabrieL is het handiger

de (~nthalpie te betr(~kJ...en on een t Cfflpcra tuur van 20°C en op de

<. ( ( ( (

I

_I

o

o

r

- 1

J

-...

De enthalpie die \'1 ij e;ebruiLen noem(~n we Ifni(~uwe i)nthaillie" ,:n

geven we ,lan !ïlet

We onderscheiden

l e soort sto~fen:

ft t 11

standaarcL, onel i t i () s :

Stoffen die bij ;>OoC (~n 1 at :-n/bar in de gasvorm

thermo-dynailli,'ch stabiel zi,jn.

Voorh,,~eld: lucht I

1:.,

I

eH

"

.

Voor deze , t o f fl)n s t'::llc)i{ He de nie1.nve enthalpie gel;)'~ aan nul voor de s tol' in c;asv:.'rl;l i)'.i 20°C.

Dus cle ni::u;!e ,,'nthalpi,-~ l"rordt gc,'::.ev()n door:

h' = 0 : Gasvorrll, 20 C

°

en

11'

(

T

)

=

h (T)

h (Gasvorm,200 _C)

Als dus:

P'

de gl!llliddeille Cp'" ov(~r het t r a jei:t 20-T dan is

h'

(T)

₌

epC' .(T-20) •.•• III-S

2e soort stoffen:

Stoffen die bU 20°C en 1 atm/b~r in de vloeistofvorm

thorwodynalilisch stabiel zijn. I

Voorb l~ld: water,benzeen,cyclohexaan,cyclohexeen,triêthyleenglyco.

Voor deze stoffen stellen we de nieuwe enthalpie gelUk

aan nul voor deze stoffen in vlocistofvorm bij 20°C.

Dus de nieuwe enthalpie wordt gegeven door:

standaclrd

en

11.'

=

0 vloei.st of,200

c

h(liq. ,200C)

=

heT)

Voor '_:(~n ternperat1.iUr T waarbij de s t î f nog in vlooibare vorm

is \/ordt de nieuwe enthalpie met Cp de ge!Jliddelde soortelijke

\varillte Vé1.n de vloeistof ov,:~r het t r a jel(t 20-T:

h'

(T)

vlot.:istof: lt' (T)

Voor [-len t emperatuur T bevind t j~rijgen we:

h' (T)

en dU<5:

h' (T)

=

h ( 1 i q . ,T) - 11 ( 1 i '~1. I ;~ 0

°

C ) = Cpl.(T - 20) •••• III-9

waarbij de stof zich in de gasfa~e

=

h(gas,T) - h(liq. ,20°C)

=

h(gas ,T) - h(c;as,200C) +

+ h(gas ,20oC) - h(liq.,20oC)

=

••.• III-l0

lie zien clus hier Haar we de ver<..lamping,;warrnte bij 20°C voor

nodig hadden. Van de stoffen van de 2e soort die in de fabriek

ook in de [;asvorm voorkomen staan de verdampingswarllltol bij

20°C in tabel I I I - J geGeven.

De enthalpie/warmte balans over de real~tor kan worden opgesteld

als we een aanname doen over hoe de reaktie verloopt in de r eakt or.

Ornda t de ~nthal:!:1i e een t oe s tancl:-:gro otll eid i s , kunnen we vers c11illen,-le

mo~el i)ch'~clen ner:len.

( ( ( (I

o

o

r eakt anten hij 20°C de reaktor in

- r eakt ie bU 20°C

- 14

-2 _0

- 0phrarl1linc; produLt cn Veln _{_0} C tot _{ui t c;angst '')!l1pera tU1;r}

l~roduk t ':n b ij uitgangs t empera tuur de reakt or ui t •

'Je zi en dan clnt

'"c

dc r '_'aLtiehrarmt e b lj ;200 C rnoet r.)n wet en om de ",'ar;lltebal<:l.ns t e 1;:U1Hl(~11 ol;st,)l len .

Omdat de Harfl,tebalans voor de hele fabriek 'vc,r dt opgesteld met

gebrui]~JI1akill~ van de ni'.)'Hle enthalpi e rno2t r eaLt i",warmte ook hi e rop worden betrol;j(cn.

De beide situaties zUn hieronder geschet st :

,/"''\>o.

H;~ -~~ --z.:.Q~ It----~)

H

~\+

De t.varmtebLl.l,lnSen worden:

+

₌

H.

l n + Q r en H'. Ul t + Q a

=

H! l n + Q I r

':-La c~e af t e voeren varr!lt e (in beide geval len nat uurlijk 1 ~.> Q , le g e pro ct u c e e rel e IV 3. r lll te.

l-lierin i s

·:~n

I:l ü;!ina t i e

Qr en .2;':

v;cnr -:Ll. l~i t beide verç;el iJ16ngen gee1~t h et verband tussen

=

( H1·t-_{Ul -} II_1.11 ' t ) (11! _111. - H. _{l n} ) •••• 111-1 1

lJu h ebben He in h(~t v or i;;e deel gezien dat st 8eds Zt~ldt voor hut verbi.lnd tussen norGlale en nieuHe '~nt.flalJ)ie :

hl

₌

h - h( ~;t,20) dus h ' - h =-h(st ,20)

met h(st ,:?O) Lle enthalpie in de nlliwe stanciaardtoestand.

Verzel ijking 111--1 1 lcunnl~n we dan .~)chr.ijven als: Q!

r

=

H(st ,20 ,produk t en) + II(st , 2 0 , reak tnnt\;)n) Aangezi en voor ell~e kOr!lpon,,:nt de st andaar dtüe.stancl hetzel fde

i s of het nu een produl~t of reaktant i s ,Lunllcn we de bov en :.;t aande

v ergel ijkine ook schrijv en als :

= • . • . 111-12

;'·;et behulp van de rnassabalans '.)n de hiervoor in hoof dst uk I I I

behandelde onderwerpen bereken en we :

()' '\or

=

De rcaJ~ti8warmte r eaktie 1 r eaktie '-...2 900.

J

1c1{ (i vinden we al s volgt: ""r

Voor de r caktiewarElte geldt'

••• 111-1

J

( ( (

I

In

() t) - 15

-Deide r cakties zijn Gasrascreal~tics. De enthalpie bij 200 C vinden He

uit:

h ( ;20) = h ( 25 ) - 5. Cp g ( tra j <.) ~. t 20 - 2 5 0

c

)

lt(25)= ~hf = standaardvor;nin:;scnthalpie bij 25°C.

rIet de [';cgev:ns ui t tab0.llen III-1 en III-2 en rn(~t verg,~l ;jking

III-~~ zijn do enthalpie(~n nu te berekenen.

Hierm._'e en Illet ver[?;<:lijkinG" III-l (~ "lordt de reaktie~'larfllte:

r eaktie

I1h

( 1 )

=

-;255.9 ; .L\.. 'c·c:.. :1.1/1 ~o a ' cyclolL,~xeen r = -1071 .4 l.1 cJ/'·,r .L'-u cyclohexeen reaktie ' )

_Älî

(2)=

-588.L~ kcal/kg cyclohexaan

,.

r

=

-2!..~6J.5 kJ/kg cyclohexaan.

De e;eproduceerde hoeveelheden cyclohexeen en cyclohexaan

we uit de massabalans.

De totaal geproduceerde warmte Q volgt dan u i t :

r

=

(ifJ

ui t -

~in)

cyclohexeen· -

Ah

r ( 1 ) +

(tP

ui t -

~

in) cyclohexaan· - _{4h r}

(2)

Met de gegevens van III-15 vinden He dan:

Qr

=

910.1 kl{

en dus met vergelijking III-1J:

Q' = 1810.4 lel"

r

••• III-15

vinden

•••• III-16

J'let deze ',-aarde i s nu de I-.rarmteu;llans op t e s t ellen Illet

gebruikma-h.ing veen de nieu\\re enthalpie . ~~ie hi~rvoor hooldiStul~ IV.

Deel III-13: FYSISCHE GEGEVENS

Veel van de benodigde fysische gegevens staan al v':,rmeld in

tabel I-~ van hoofdstuk I.

Hier Horden nOl; enkele ,d tbrei ciingen gegeven plus de verder

be-nodigde fysische gegevens die daar niet behandeld konden worden.

DANPDRUl·= ZUIVERE STOFFEN:

De dampclruk van zuivere stoffen wordt Gegeven Joor de zgn.

Antoinc-verg8lijkin~:

log P

₌

A -

13/(t+C) •••• III-17

" Hierin is p de druk in mm Hg en t <.ie temperatuur in oe.

A,D

en C zijn Htofkonstanten en zUn in tabel I-1 venneld.

DICIITECID:

Ifc) hebb(;n de dichthed(~n nodig van zowel ga~fase-als vloei:-,;

(

(

(

n

Ga"fase

Voor bepCll i ng van de clichth(~id is st e:,ds aangeno·-men dat

de (jassen ideaal zi,in (>.n ideaal C~l';fli0.n~d zijn •

1

6

.01' L?;~ldt clan de i deale ,,!:aswct P.v

=

n .T en hieruit :.unnen

we ll~len .t1jt 1 kmol ideaal Ga:, bij oOe en 1 bar c(~n VOlllt1j(; lle(~ft

v~n ,: 2 • h i1l •

Ikt r:lOlaire volur!1e b,~ een andere t(~mp8ra t uur en dr uk volgt uit :

v(P,T) De clichtlll"id van dan met v(1 ,ooe)

f~

f~

vI o(~i s toffas e T

.

L~ 1

)/p

'- !

een ga~ die n kmol gas = 22,4:

=

1/(n.v) 27J

.

P

=

_{T · •} ' ) r) } r n

.

'-'..:... t ' I-per leg ga s bevat i s . . . . 111-18

De bl;nodigde dichthedcn zjjn in t abel 1-1

Van lH~lanE: z~jn de eV'-3n\-lichtsgegeven~ van een vloci sto:fmengsel

van b(:)nz(~(~n en cycloh8:(aan in c~vcrnlTicht met ;.;en G'asllJ<,ng~-"el benzc;en,

, t b" ~ooe

cyclohe:,~aan en 111.er Gas lJ '. 0

De gngevi-,;ns van lt·~t bi nai re syst eem b(~nzeen-cyclohexaan worden

gegeven in l i t . 2 0

Deze Gegevens z'jjn ver,:er]:t in (?en P- x diagram. ~~ie LJijlagen grafi ek I.

De i nvloc;;d van in'1r t gas op de dampdruk van een komponent

is bij de door ons g.:;bn .i :, t e t cmp8r a t ur en en drukJ· .. en te verllTaarlozen. (zi e bijlage 1)

Di t houdt clL:S in da t de dampdruk van benzeen ,~n van cyclohexaan

bij aanwezigheid van in'2r t gas in de dampfa::;e hetzelf\lc i s al s bij af\-j(~:::igheid van het i nf:)r t ga:::. r.ü t~3 de salili:)nstel l i ng Viln de vloei

-stoffase hetzelfde i s .

Deze :~'egcv,~n:3 zijn nodi.::; om de parti(~le k ondensor H9 t e bercl~enen.

Loal s ''iC~ daar zullen zien (hoofd stuk IV en bijl age 1 ) zijn d e hi ;;

r-boven vermelde g(~eé)v~ns voL!oende. Het is niet nodig de eV2n",icllt s

-gegevèns bij bepaalde totaalclrukkt3n te berl~kencn.

SYSTEHEN V_UT n:-'>N~E'~Ï'; ;;N eYeLOHE~':~;EN i :ET HESP. T . E. G. EN D. :i·I. F . :

Dij de ext rakt i", van ,:.!en benzeen/cyclohexeclurwngsel met

t r iëthyl -"englycol(T.E.G. ) of dilllf~thylfürfilarnide (D.r.i.F.) zijn ook even,,rich t ~;geg,~vens nodi g .

De ber cJ:c:ningèn worden gedaan In. b. v. Z ogonaarndc samènë; t el l i ngs -driehoel:en r~n e en ev enwichts l ijn.

De cvcnwichtsgeguv cn s voor het syst eem benzeen/cyclohexeen/T~E.G.

komen u i t lito

r

en staan in de vorm van (Jen samenstel l i ngs

-dr iehoek m;3t ev emlTichtslijn in de bijlagen grafiek 11 .

De evenwichtsgegev ens van llet systeem b2nzeen/cyclohexeen/D.~.F.

komen u i t l i t .

8

en st aan in dezelf de vorm in de bjjlägen

c

c

( ()

I

r

17

-In de f'abri c~, is het nodic e ()n Cas stroom met benze en,

cyclo-hl)xcen ~n Hatpr t(~ ontdoen van ','later.

Deze standaardprocedure vindt plo.ats door fysi~,che adGorptio aan

een mol ecul ai rp zi'ef.

Ben zeef' die ".',21 \'later 3.dsorbeort [:l<.Lar Ei~t b'~nzeen of cyclohcxaan is Inol. z.~(,r tyr") JJ\.(3 ~). ,~i,:} lito 13 tabee'l -lI-5.

De ze()f' wordt toc:r,epast in e ~n aantéll naast I)ll~aar gezet te E;epakt bed lcolollliilun :211 '\VerJ:en in ",i...;s'ë,lL)()drljf •

. Als de een v0rzadic:d is wordt overgeschakeld op eenlt_verse"kolom

en wordt de vcrzacli:r.de kolor:; gere;~;enereerd. (verhi tting en

over-l eiden van inert Gas).

Door &cbrek aan t Ud en oodat het een standaardproce~ i s , i s aan

de drogers verder geen t Ud besteed.

Deel III-C: PROC.cSGEG'2VENS

Eoe11"a ter

1le l:unnen op twee manieren aan koel'"at:~r komen.

De eerste i s via een gesloten koelwatercircuit. Na opwarming 1n

de fabriek moet het m.b .v. een koel t o ren worden af'gekoeld.

De capaciteit Vé\.ll de installatie is absoluut gezien erg klein

omdat het een kleine fabriel~ i s .

Het is daaro:.1 de vraag of een koel toren voor deze capaci t ei t

wel zinvol en economisch i s .

Er

i sdaarom fIlaar uitgegaan van koelwater uit een rivier of'

iets dergeljjLs. 0 " . I

De t emperatuur van het water nel11(~n we ca. 15 C. ,)~'L

De maximale t emperatuur

erV~Ln

mag LWoC zijn ( l i t .

44)

.

' l '

De enthalpie van het koelwater vinden we met behulp van

vergelijking I I I -9 . De soortelijke ,,'armte is 1.0 kcal/l~g.E •

Dan is de nieuwe enthalpie:

h'

koel\'later

- 5

20.93 kJ/kg

Op dezelîcle manier vinden de enthalpie van het opgewarmde

''later van tOC:

••• III-19

li'

=

(t-20) kcal/kg

=

l~.187(t-20) kJ/kg • • • • III-20

''l3.rm Ha ter Koellucht

De koellucht 1vordt alleen gebruikt voor de kondensor H16.

De lucht wordt liIet een ventilator aangezog8n en na op1'larming

weer teruggeblazen.

~e gaan uit van lucht van 200C met e8n relatieve vochtigheid

van 70'/~, Deze wor d t opge,V'armd tot l~5°C wa,J.rbij de absolute

vochtigheid gelijl( bI ijf't.

In l i t . 2 fiG'. 12.2 vinden ,-re voor de enthalpie van vochtige

lucht bjj 20°C, 1 bar en een relatieve voclltigheid van 70~i:

h koellucht

=

=

27.7

-

0.05 64.31 kJ/Lg BTU/lb dry a i r droge 1 t.I eh t •

j)~ absolute vocl~tiGh~id van deze lucht i s 0.0103 lb water/lb dry a i r

..

( ( ( ) - 18

-Dij 45°e, 1 bar en dezelfde absolute vochtiGheid is de enthalpie

= JR.2 -

0

.35

= 3Î.85 DTU/lb clry a i r

=

88.o:'~ kJ/kC; droGe lucht.

De \van~lte opnarilC door de luc:;t is dan hl _ucn . t = __

?

3

. Î3

"J/

1~ l

"

'.(.~ O'

Aan:zczi,~n cr 1.0103 kg l ucht i s pur 1:8' droge l ilcht vinden we

ool~ :

= 2J.49 kJ/kg l ucht ••• III-21

Voor het opst8llen van de warmtebalans moeten we de nieuwe

enthalpiên weten.

Lucht i s een stof van de 1:e [~oort(zie bij "ENTHALPIE" ).

Dus:

h'

koellucht

=

o

kJ/I:g luci:t ••. III-22

Aangezi 2n de warmteopnalnc is 2J .~9 kJ/kg vinden we voor de war:r_{1e l l.Jcht:}

h'

\·,rétrme lucht = 23.49 kJ/kg lucht . . . III-2J Stoom

De stoom is nodig voor verhittingsdoeleindcn.

Gezien de lage temperaturen die bereikt moeten worden(kleiner dan 1000e) maken we gebruik van lage druk stoorn(L.D).

Deze l .d.stoom heeft volgens lito 4Y een absolute druk in ons

geval van 4 bar en een t emperatuur van 190°C.

Uit de stoomtabellen en P-II-diagr ammen voor stoom uit lito 2 en 5 halen He dat het kondensaat bij deze druk een t emperatuur heeft

van 14Joe en een entLal pie van 262. ;~ BTU/lb en de bij deze druk verzadi gde stoom V:ln l Lj.Joe een enthalpie van l l Î Î . G BTU/l b .

Voor de verdamping i s dus nodig 915.4 BTU/lb =2129.J kJ/kg. Uit de f iguur kunnen we ook de enthalpie van de oververhi t te

stoom aflezen doch dit i s zeur onnauwkeurig.

Boter is de enthalpie t e b~_'palen door ontel len van het enthalp ie-ver s chi l tl.bSen 14J en 1900e bij de

en

th~l

p

i

e

bij 14Joc.

Het enthalpieverschil is:

- EF

De ,,'aar de van Cp~' voor water vinden we met verGel ijking III-L~ en deze is: 1.98Î 6 kJ /kg.

Het Gnthalpieverschil wordt dan Ah = 9J.4 kJ/kg .

De enthal rJie van de verzadic~'de st oom was 11 ÎÎ .

G

BTU/lb of

27J9.1 kJ/'q~;.

De enthalpi.':! van de overv(~rhi t t e stoom is dan

h

::-;toom = 28J2.L~ kJ/kg

De enthalpieafname van de konclenser(~nde stoom is dus

(262. ~ UTU/lb= 609.8 kJ/kg): ~h

<-( (

c

C'

o

o

n

-

19

-i{ater behoort tot de 2e soort en de nieu,,,e enthalpie van

5 toom en kondensaat vinden ,,'e <tan ook ui t vergel ijL int'; 111-9 en-l O.

Ile kunnen ook zegcen:

De enthalpie bij ,?OOC van "later is 83.9 kJ/ kg (lit.5-n138).

De en thaI pie van s tOOI!l en konclen~.'aél t he blJen we al gevonden en

dus vinden wc \"oor de nieu\V,~ enthalpieën:

REAKTOR:

h'

stoom

=

h' _l~ondensaa

=

t

Zie hoo:dstuk I

••• 111-25

5

2

5.9

kJ/kg

, \

Beide reakti(~s zijn sterk exotherm en zoals He gezien hebben

is de katalysator allee~d ,,,erkzaam tussen 20 en

6o

o

c,

bij 1 bar.

De warr:lt ebehe er~-, ing van de r eaJ, tor is daarom erg belangrijk.

Deze behcer::;ing kan als voJgt \vorden bereiL t :

h(~perkte conversie ~ in ons geval tot 4o~;~ gekozen.

een hoeveelheid produkt circuleren Olll op die manier een

deel van de 'Varr:ltl~ af t e voeren. In ons geval L.:an

dat erg eenvoudig rloor na absorpt i e van benzeen erl cyclollexeen het merendeel van de gasfase te recircule-ren. Door toevoeBAn van cyclohexaan wordt het beoogde

( (

c

( ) - - - .-_._ -- ::0

-een f;rotc overmaat H

2 [{ebruiken omLlat dit vf}cl v/ar:-ntc

kan opnc1ll0n. De recircula t iel, 0 " ten uord(~n dan 1,'(JI

veel (':rot0r.

groot koeloPllervla k gebruiken en bijv. 1i1(~t speciale

kocllilid(l<-'l~~n een groot t(~l!lperatl11irverschil tus!:;nn rC.'1~(tor '::11 j~o(!J.rniddel ber('i;~f"n ,.,a.l.rc1oor de cap

aci-t:~it van h" t !~o(JI,;y!~teell1 ere C':T'oot kan z ;.jn.

Aangezir.n er over de ~:ataly~;;·l.tor !",;..~en {~xakte gegevens bekend zjJn i s ,~r over het ont'cl0.rp Véln de rea:·~tor verder niet ;·, te zegGen.

Er is aan.3"enomen dat er in de verse voeding een deel iner t

gas z i t nl. met haan.

Dit Gas k:l.n ook geproduceerd '.\'orden in de reaktor tioor kraking.

Om de concentratie niet op t e l a ten lOllen van di t gas in de

recirculatiegassen zullen we daar een deel van moeten spuien.

Ge~is dat spuien van

5'

;;

var.. de gassen ná absorpt ie van Gei.zecn en cyclol1exeen het methaangehalte niet hoger dan

5

ge\v.1~

l aat worden.

Het gespuide gas bevat ongeve0r half om hal f i"latcrstof en cyclollcxaan. Aangezien het cyclohexaan nauwelt ks ~uurder is dan ., b,"nzeen 0Tl de huidi ge mar ::t zal :.'chei clinG ervan Li t h~t ~as

'Y,\"/ a l leen !:Jaar betaald kunnen worden door l~et ,'T,eproducc:.~rcle

cyclo-I .. ,./-'\.., hexe('n duurder te ;·;taken. ~"i t l~jl_t ons wei ni ;:s zinvol.

/ . .... )}Iet gas !(:::'ll oet;)r v '.;rlJrancl '.-lorden 0;;1 zodoende l!ller,;-ie te ];:r~;,;(;n

'/':/b;,;voorboclc~ voor het r·Ja).,·~n van :st oom. '. _" / . / De j oeve-::Lleid energi e u.i J kan 'JorcL~n ver!~re,~·'.:!n ui t de :::pui i~

ca. 11 ni/. Deze aanzienlijke hoeveelheid kan gebruilet 'vorden

voor produktie van stoom en voor verwarmingsdoeleinden.

Voor het berekenen van de r8a:~tor is ui t gegaan van een selektivitei t Véln 71~) naar cyclohexeen. D.w. z . dat 71 m6i~~ van het olllge;~;)tt<) o2llzeen in cycloh(~xeen wordt omGczet. We nemen élan dat d i t het rendement is van de r eaktor in z jn

geheel . i3innen de rcaLtor Lan het rendement no,." V;l.n plaats

tot plaat~ variêren.

De selekti vi t ei t is eeba~~ eerd op e':n tell!!)era tuur van 20- 600

c

en een clrl..1J.: v<ln:i:1.5bar.

ABsonPTI:=iIIDDBL voor.. BENZEEI,r EN CYCLOHEXEEN:

Absorptie van benzeen en cyclohexeen z6nder absorpt i e van

cyclohcxaan ],an ecdaan worden door oplossingen van zilverzouten.

Lit. 15 en 18 :'3"ebrl.li!~en AgDl"L~ of e0.n kombinatie daarvan l!Iet een

goedl~oper fluoboraa t van een t1'leeHaarclig kation waarvan

Hg(DF_{L )')} het best voldoet.

Lit.

f7

t

-gebruikt oen

oplos

~

dn

G

van AgBFJOH met het zelfde resultaat.

In beiJe ~evallen i s de a bsorptie 1UO% selelctief tov benzeen en

cyclohexeen. Dat wil z ::?g.'.;en ,j.at er geen cyclohexaan ,'!ordt geabs

or-beer d.

De absorpti e vindt pl aats door komple:(vorrninc van het AG-ion met de 1\ - Li nclingen. Mg zorgt ervoor dat het Ag-ion mindel- Gehinderd

wordt door watermol eLul en en clus eîl~ektiever .verken kan.

Een oplossing met Mg erin ]loeft daarom minder -duur- Ag te bevatten.

De absor!,)tie J:an plaa tsvillden bij normale clrul~ken en t empera turen

van 20 tot

soo

e

.

Dit kan zowel absor ptie zUn vanui t een Gasfase

al s vanuit eon vlo,~istoffase eli e bl:dde ook nog vrij v8el an(lere iner te