Verslg behorende bij het processchema: Bereiding oleylalkohol uit oliezuur

..

Inhoud.

I. Inl eiding .

11. Keuze v~n het pr oc e s. 111. Grootte van eenheid.

IV. Plaats van de fabriek.

V. Chemis che en fysische aspecten. ,/' A. Ber e i ding van de katalysator.

B. Aanvoer ol i e zuu r. / C. Men g t a nk• .,. D. Hoge-druk pomp. ./ E. Voorwarm ers . . / F. Rea ctor.

G. Waterst of- compressor . H. Ga soml ooppomp.

I. Wat erst ofkoeler . J. Expansiev':l.t.

/ ' K. Condensor.na expansievat. L. Destillatiekolom .

/

'

M

.

Condensor destillatiekolom. N. Nakoeler. O. Reboiler. P. Voorraadvat kat alysat or. Q. Doseerpomp . R. Al gemen e opmerkingen. VI. Samenvattin g.

A. Mat e r iaal balan s. B. Energieb alans. VII. Kosten . VI II. Tabellen . IX. Grafieken . X. Literatuur. blz. 2 2

3

6 6

7

8 11 14

16

20 21 21 22

2

3

25

29

29

3

0

31 31 31

32

32

33 34 36 1 _

PRO CES S C HEM

A

- - -

-

-

-

-

-

-

-van een fabriek ter

;;'-1, /

i : / 'I ) ''! ~ /

BEREIDING

V

AN

ONVERZADIGDE

VETALKOHOLEN

UIT OWrERZADIGDE VETZUREN

.

I. Inleiding.

Het doel van de fabriek is de bereiding Van onverzadigde vet -alkoholen uit onverzadigde vetzuren. In het onderhavige geval wordt uitgegaan van oliezuur, waaruit oleylalkohol bereid wordt.

Reeds enkele decennia is de katalytische reductie van vetzuren met waterstof tot vetalkoholen bekend (2), maar pas na de tweede

we-reldoorlog is men met de pr odu c t i e op grotere schaal begonnen. ~ooral bij de reductie Van onverzadigde vetzuren trad een moeilijk-heid op. n.l. de dubb el e banden werden aang e ta s t . Door toepassing van een selectieve katalysator (n.l. koper- en cadmium-oleaat) is het kort geleden gelukt om de dubbele bindingen te behouden (voor theoretische beschouwingen zie lito 1 met d~arin vermelde litera-tuur;

3).

De vetalkoholen vinden als sulfaten vooral toepassing in de wasmid delen- en textielindustrie (aviva ge)

(4, 5).

De sulfaten van

de hogere verzadigde vetalkoho len (b.v . stearylalkohol) hebben uit-stekende waswerking bij ho~ ere temperatuur, terwijl de sulfaten van de lage ~e verzadigde vetalkoh olen (voora l laurylalkohol) goede schuimeigenschappen en een beter-e wateroplosb aarheid bij lagere temperatuur hebben . Het Rul fa!;i. t van oleylalkohol combineert nu de eigenschappen van de sulfaten v~n hogere verzadigde vetalkoholen met die Van de lagere vetalkoholen. De bevochtigende werking van het sulfaat van oleylalkohol is beter dan die van he t sulfa at van stearylalkohol. Vermoedelijk gaat de bacteriolog isohe afb r aak van het sulfaat van oleylalkohol ook vlotter dan bij de verzd.digde vet -alkoholen (dit in verband met de vervuiling van de rivieren). Een recente toepassing va n het su l faa t van oleylalkohol is tegenga~n van de verdamping van w~t er van gr o t e wat e r o~pe r vlak te n in tro-pi s ch e gebieden. Hiertoe wordt een

mo~

aire

la 3.g Van het sul-faat van oleylalkohol op het wateroppervl ak geb ra ch t . Daar het

sulfaat vloeiba ar is , kan het gemakke l i j k op het water ge spo t en wor-den, waarna het zich gemakkelijk over het gehel e oppervlak ver-spreidt. In deze to e pass i ng ligt een grote exportmogelijkheid nadr tropische gebieden (b.v. Egypte: stuwmeer bij ~sso ean ) .

- - - _.- --

2

-11. Keuze van het proces.

De reductie van oliezuur tot oleylalkohol kan volgens de volgende processen uitgevoerd worden:

1. Reductie van vetzure esters m.b.v. natrium en een lager alko-hol (volgens Bouveault-Blanc ;

4,

6). Het natrium reageert met

/

~,

l!,et alkohol. Het hierbij gevormde waterstof reduceert de vet -zure esters.

2. Een mengsel van vetzuur·en methanol wordt over een CuO/Cr 203-katalysator bij verhoogde tenperatuur geleid

(Am.

octrooi:

T)

Het me~hanol ontleedt volgens:

CH

30H ---- 2 H2 + CO

Het gevormde waterstof reduceert de vetzuren. (Hierbij ont-staat water, wat weer met CO reageert: CO + H

20 ~ C02 + H2). 3. Katalytische reductie van vetzuren met waterstof. Als

kataly-sator wordt gebruikt koper-en cadmium- oleaat in de verhouding

5

mol.% koper-oleaat en

2,5

mol.% cadmium-oleaat. (Eventueel

zou men de katalysator als CuO/CdO/guhr kunnen toevoegen; maar het zijn de tijdens de bewerkingen ontstane koper- en oadmium-zepen, die katalytisch -homogeen-werken; zie lito 1)

Het reactieverloop is als volgt:

oliezuur + 2H₂ - oleylalkohol + H₂₀

De processen 1 en 2 hebben het nadeel, dat men voor de reac-tie dure hulpstoffen nodig heeft, terwijl men bijproducten krijgt. Indien deze bijproducten nog een goed afzetgebied vinden, of elders in het be dr i j f gebruikt kunnen worden, zouden deze processen te overwegen zijn. Daar dit laatste echter niet waarschijnlijk is, wordt het laatste proces toegepast.

111. Grootte van eenheid.

Volgens opgave van de Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie was de totale nederlandse productie van oleylalkohol in 1963 nog geen 10.000 ton.(totaal verzorgd door olieraffinaderij "Zuilen"te Maarssen). Deze hoeveelheid werd nagenoeg geheel binnen Nederland verbruikt. Slechts een zeer gering percentage werd gëëx-porteerd. Gezien de toepassingsmogelijkheden zal de behoefte ech-ter stijgen. Ook kan meer aandacht aan de export besteed wor den . Met deze overwegingen lijkt mij een productie-eenheid van ca. 10.000

, I ( ,

-

- - - -1

I

1

IJ , , ' "1{" I ... , , '

.

.

"

3

-IV. Plaats van de fabriek.

De volgende factoren spelen een rol bij de keuze van de plaats van de fabriek:

A. In verband met de productie: 1. Grondstoffen-aanvoer 2. Arbeidskrachten.

3.

Water.

4.

Energie en brandstof. :B. Distributie: 1. Transportmogelijkheden en kosten. 2. Markt.

3.

Verband met andere industrieën. C. Algemeen: 1. :Belasting. 2. Hinder.

3.

Klimaat.

4.

:Bodemgesteldheid en kosten.

5.

Sociale omstandigheden.

Deze factoren zullen hieronder punt voor punt nader worden beschouwd:

A.1. Grondstoffen-aanvoer.

De grondstoffen zijn oliezuur en waterstof.

Oliezuur wordt in Nederland slechts in betrekkelijk geringe hoeveelheden gemaakt, zodat men waarschijnlijk ge-heel afhankelijk is van import. Ook is het mogelijk olie-zuur in eigen bedrijf te maken. Als uitgangsproduct komt dan vooral in aanmerking olijfolie met een hoog percentage aan oliezure esters. Ook dan is men dus afhankelijk van import. Wat betreft het oliezuur kan men de fabriek het best plaatsen bij een zeehaven.

De waterstof-consumptie is vrij hoog, terwijl aan de zuiverheid vrij hoge eisen gesteld worden. Een waterstof-productie-eenheid in eigen bedrijf is dus aan te bevelen. Het waterstof is te bereiden volgens het MesBer~~IL'~

proces, waarbij zuiver waterstof verkrege Het nadeel is, dat het proces vrij duur is. Misschien dat er

mogelijk-(

heden zitten in methaan-conversie uitgaande van het goedkope aardgas, mits men het hieruit bereidde waterstof goed zui-vert van eventuele zwavel verbindingen en CO •

...

-Voor de bereiding van waterstof volgens het Messer-schmidt-proces heeft men kooks nodig. Deze zijn te betrek-ken van de Staatsmijnen, de Hoogovens te IJmuiden of uit

1

t i

• Î •

4

-het buitenland. De plaats van de fabriek is wat betreft water-stof bereid volgens het Messerschmidt-proces niet erg relevant.

H~t liefst aan de monding van de grote rivieren. Ook wat betreft

waterstof uit aardgas is de plaats niet belangrijk (aardgaslei-dingen door geheel Nederland).

2. Arbeidskrachten.

Daar deze fabriek ~·A.

wei~i

"_ ,.

~

arbeidsintensief is (ca,"\.

25

an

in continu-dienst en ca. 10: man in dag-dienst), is dit punt niet

belangrijk voor de plaatsing. Echter is de arbeidsmarkt vooral

in het westen vrij krap, zodat de fabriek het best meer

ooste-lijk geplaatst kan w02den.

3.

Water.

Veel stoom is nodig voor de bereiding van waterstof.

Hiervoor moet men uitgaan van vr~J zuiver w~ter, met een zo

laag mogelijk gehalte aan zouten(grondwater). In de kustge-bieden heeft men vr1J vlug last van een hmog zoutgehalte, zo-dat plaatsing in het midden of oosten van Nederland de voor-keur verdient.

4. Energie en brandstof.

Eleetrische energie kan men overal in Nederland betrek-ken. Gezien het feit, dat voor de bereiding van waterstof

vol-gens het Messerschmidt-proces vrij veel stoom nodig is, is het

misschien voordeliger een eigen centrale (met tegendruk turbi-nes) bij de fabriek te plaatsen.

Voor brandstof kan men uitgaan van kolen (kooks) of

aardgas. Indien' kooks als brandstof dient is de beste plaats

van de fabriek aan de monding van de grote rivieren. Bij

ge-bruik van aardgas is de plaats niet relevant.

B.1.

Transportmogelijkheden en kosten.

De transportmogelijkheden laveren in Nederland geen

moeilijkheden op. Wa t betreft de transportkosten is gezocht

naar een plaatsing aan water, daar het vervoer per schip nog

steeds het goedkoopst is. Vestiging aan zee of aan de grote

rivieren is dus mogelijk.

2. Markt.

Het product vindt vooral een afzetgebied in de

wasmid-delen- en texfielindustrie. Wa smi dde l en i n dus t r i e vindt men

ver-spreid in Nederland, maar toch vooral in het Westen. Te~elin­

, 1 J! I J I . .'

!

_I

•

5

-echter ook nog rekening moet worden gehouden met export is de beste plaats in het Westen van Nàderland in de buurt van een zeehaven.

3. Andere industrieën.

Alleen wat betreft de markt heeft men te maken met andere industrieën (zie B.2.)

C.1. Belasting.

Deze is in Nederland overal gelijk. Daar er echter ook van regeringswege gestreefd wordt naar decentralisatie

van de industrie (het weren van meer industrie in het

Wes-ten, vooral in verband met watervervuiling en

luchtveront-reiniging) is het misschien mogelijk belastingfaoiliteiten_{,A .}

te verkrijgen door 21aatsing van de fabriek in het Noorden of Oosten van Nederland.

2. Hinder.

Bij deze fabriek van betrekkelijk weinig belang.

3.

Klimaat.

Hier van weinig belang. De oliezuur-en oleylalko

Aol-voorraad moet echter in de winter verwarmd worden (tot

>

140 C.) om het oliezuur en het oleylalkohol vloeibaar

te houden.

4. Bodemgesteldheid en kosten.

Het is voordelig om de fabriek op betrekkelijk

ste-vige grond te bouwen, daar hierdoor de kosten voor de

fun-dering (heien) lager worden. Naar het Oosten van het land

toe wordt de bodem steviger, zodat w~t bodemgesteldheid

be-treft de vestiging in het Oosten de voorkeur verdient. Dit

geldt echter ook voor de grondprijs. In het We s t en van

Ne-derland is de grondprijs zeer hoog.

5.

Sociale omstandigheden.

Ook dit punt is in Nederland niet van zo groot belang.

Concluderend lijkt mij de beste plaats voor de fa-briek in het midden van Nederland aan de grote rivieren

(ongeveer bij Arnhem of Rhenen). De aanvoerwegen van grond-stoffen zijn goed; transport van product naar afzetgebied is goed en de ligging t.o.v.het afzetgebied is eveneens goed.

• I /~. ( ' .t .t

1

...

.'

..

;::</><"'?" ,. (

-6-Bovendien is de gr on d da ar betrekkelijk stevig, zoda t relatief

lage kosten voor fundering nodig zi j n.

v.

Chemische en fysische asp e c t en .

Het volledige reactieschema wadr men rekening mee moet

houden is als volgt:

~OleYlalkOhol~

oliezuur ste

arylalkohol~verz.koolwa-~

stearinezuur~

terstoffen

Reactie 1. is de gewen s t e reatie, welke door de ge

-bruikte selectieve katalysator wordt bevorderd. Om de

volg-reacties te voorkomen is het gewenst een kleine

verblijfs-tijdsspreiding te realiseren. Het beste kan dit gerealiseerd

worden door enkele ideaal geroerde tankreactoren ach t e r el

-kaar te schake13~.

Aa n de hand van het pr o ces s c hema zullen nu de v

erschil-lende chemi s c h e en fysische asp e c t en besproken worden. Hierbij

worden direct de sLof- en warmtes tromen gegeven. Ook tempera

-/'\...-...---..--...--"._~.._....--_.----.._-..._~",--._-,...-- --'ï~--" -. _. ~, \

turen en drukken worde n vermeld.\,:",,,!\ !,.] } J,, ,,\

Uitgega an wor dt van een pr odu c t i e van 10.000 ton

oleyl-alkohol per jaar. Dit komt overeen met

1, 142 'ton / uu r of 4,261 k:!vloljuur of (bij d 1_{o ey}1 lk h 1= 0,8_{a 0 0} 48 9) 1,345 m3/uur ./ C Du s aan oliezuur nodig: 4,261 kMol/uur of 1,202 ton/uur of (b ij d l'_{o lezuur}

=

0,894; li to 27,28,29) 1, 345 m3/uur

.

Ver de r zal zove e l moge l i j k het stelsel van in t e r nat i

o-le eenheden gebruikt worden. Uit het boven s tamde wordt dan

gevon den : 0,317 kg. oleylalkohol/sec. of 0,374 .10-3m3/ 0,333 kg. oliezuur /sec. of O, 3 73.10-3m3/ sec. en se c .

A

.

~~~~~~~~~ ~~~ ~~ ~~~~!~~~~~E'

Deze wordt slechts ter aanvulling van verlies (en e

ven-tuele spui van minder actief geworden kataly sator) bereid . Dit

gebeurt als volgt ;

Uitgegaan wordt Van kope r- en cadm i uma ce t aa t . Dit wordt

-7-Az i j n zuu r ontwijkt, terwi jl de betre ff en de oleaten gev ormd

worden.

Misschien is het goe dk op e r uit te gaan van de oxiden

of carbonaten, ma ar da ar st aat tegenover , dat de ac e ta t en

.~ .. beter oplosbaar zijn in oliezuur, waa r door de reactie vlot

-~'---""_J"" I' .>

ter ve r l oop t.

Opgemerkt di en t te worden, dat de stabiliteit van de katalys ator (dit is ei g enl i j k het door reductie ontstane

CuH) sterk af hank el i j k is van de wi j ze van ontsta an (

8 ).

Voor a l de temperatuur is van belang.De eigenlijke kataly

-sator ontsta at in de reactor bij 2600

c

.

Daar de tempera

-tuur verder in het systeem niet hoger kom t , mogen wij ver

-on de r s t el l en, dat de katüysq,tor stabiel blijft. De kata

-lysator wordt met niet-omgezet oliezuur na de destillati

e-kolom gerecirculeerd, waarb ij ge zorgd wordt, dat de kata

-lysator niet met lucht in aan rak i ng komt (overal water

-stof-atmosfeer) •

In de reactor wordt het cuprioleaat eerst ge r e duceer d

tot cuproolea at, waa r na het vol gende evenwicht zich instelt:

CuOl + H

2 .. .. CuH + HOI

Nu mag de conversie niet te ver doorgevoerd worden ;

ri.l. niet zo ver, dat een troebeling (b e s t aande uit Cu , Cd

en hun ox i den ) in het product ontst a at. Deze troebeling

veroorzaakt n.l. een daling van de selectiviteit . Zolang

er nog geen troebeling is ontst a an heeft het product een

br u i n-rode kleur, ve r oo rzaa k t door het CuR. Het gereci r

-ctl1eerde kat alys a.tor besta at nu uit cadm i umol eaa t, c up r

o-ol eaat en koperhydride (en wel in de verhouding: ca. 50%

CuOl en ca. 50% CuH; lito 1).

De oorspronkelijk toegevoegde hoeveelheid kat alysator is

5 mol .% koperzeep en 2,5 mo l.% cadmiumzeep berekend op de

totale hoeveelhe id zuurgro eF8n (10), of 2, 5 at.% kope r en 1,25 at.~ cadmium.

B. Aanvoer oliezuur.

Het olie zuur wor dt aangevoerd pe r schip, per t

ank-auto of met de spoo r w8gen . Het wordt buiten het f

abrieks-gebouw in tanks opgesl agen. Daar de volumestroom van het

oliezuur 0,37 3.1 0-3m3/s ec. is, zou het volume van een tank

.,..8.,..

te kunnen laten pr odu c e r en . Om twe e dag en zonder ~~voer te kunnen blijven dra aien, zou een vat van 64 m3• nodig zijn.

Daar het oliezuur bij ca. 14 oe . (25, 26 ) stolt is het nodig

in de tank een stoomleiding te leggen om het vloeibaar te kunnen houden (voor al in de wi nt er ) .üm nu het st oomv erb r u i k zo la a g mogelijk te houden, is het bet er om i.p.v. één gro.,..

te tank van 64 m3• twee kleinere tank s van ieder 32 m3• te

plaa ts en. Wi l men een nog gt o t er e oli evo or raad aanhou den , dan kan men me er tanks plaa ts en .

Van de voorra a dt anks moet het oliezuur opgepompt

en

•

worden naar de mengtank. De volumestroom, die deze pomp moet kunnen verwerken is 0,313.10-3m 3/sec. of 22,4 liter/ min. bij een opvoerhoogte van ca. 1 m.(zie

n)

.

De klein

-ste pomp, die in de handel verkrijgbaar is, voer de opvoer-hoogte va n 1,5 m. , verpom pt 50 liter/m in. ( toerental 3200

toeren/min.) . Met een persafsl u i t er is de volumestroom ech-terAe regelen.

In deze tank worden het verse oliezuur en de ger e

-circuleerde kat a l y sat or ( met niet omgezet oliezuur)gemen gd.

Dit gebeurd onder een wö.t ers to fa t mosfe er ( ca. 1,1 bara; in ieder geva l iets hoger d~n atmosf er is ch e druk)•

(I)

De verse oliezuur-toevoer bedraagt 0,333 kg./sec. of 0,3 73 .10-3m 3/sec. Daar een consversi e van

9~

/o

we l ger ea l i -seerd kan worden (met een se l e ct i v i t e i t Van 100%,) wordt dus

10 (~

gerecirculeerd 90x 0,333 = 0,031 kg. oliezuur/sec. of 0,131 mol./sec . Dus tota al 0,310 kg.oliezuur/see . of 1,31 mol. /

sec. Hierbij komt:

~àg

x 1,31

=

0, 03 3 gra t. /s e c.

1n~5

x 1,31

=

0,0165 gra t./ s e c .

Van het koper is 0,0165 mol . CuH/s e c . en 0,0165 mol. CuOl./see .

0,0165 mol.CuH /see. of 1,01x 10-3 kg./aee .

0,0165 mol.CuOl /see. of 5,68x 10-3 kg./sec .

0,0165 mol.Cd(01)2 /8ee. of 11,25x 10- 3 kg./see .

0,0815 mol.HOI Isec. of 22,72x 10-3 kg./sec .

-9-dat de soortelijke warmte is

bedraagt deze: 0,493 kcal/oC.kg .;

(I"

41) en de temperatuur van verse ol i e zuu r bedraagt gemiddeld 25°C . en van de

recirculatie

~235°C

.,

dan wordt de temperatuur

Bij een dichtheid Van ca. 10

3

kg./m

3

wordt dit:0,041 x 10-

3

m3/sec. Indien we aannemen,

2,1 kJ;oC .kg . (van oliezuur

in he t vatl

0,333x 103x 2, 1 (t-25) = 0,041 x 103 x 2,1 (235- t)

t =

48°c

.

De hoeveelheid waterstof, die onder deze omstandig

-heid oplost in het oliezuur is nagenoeg nihil. Dit volgt uit

tab el .-l (v o l gen s opga.ve van de Hr. H.W. van der Linden). In tabel 2 zijn deze waarden omgerekend in mlo/

e

-

oliezuur en ver-volgens uitgezet in grafiek 1 en 2. In de tabellen 3 en 4 zijn deze gegevens omgerekend in resp. mol.H2/mol . oliezuur en mol.H

2/mol. totaal. In de tabel

5

tenslotte zijn de waarden omgerekend in log.x (x = mol.H

2/mol.totaal), terwijl de tem -peratuur omgerekend is in ; • Deze gevonden waarden zijn uit

-gezet in grafiek

3

.

De helling van de gevonden lijnen geeft nu de oploswarmte bij oplossen van wat er sto f in oliezuur. Dit volgt uit het volgende (zie lito

13):

..

~A =)'iA + RT In PA g g,p=l

JA-

_A =;"A -I- RT ln x

1 1,x=1 ~A g,p=l +RT ln PA =~A 1,x=1 ~A - /ÛA g,p=1 1,x=1 RT + RT ln x Ye r de r _iS"MA H

TS

g,p=l g,p=l g ~A Hl

-

'flS_I -1 1,x= 1

,x-Dus: In x PA H -

e

rs

-H t TS g g,p=1 1 1,x=1 RT

-10-~H

á

S

of : In x

=

-

RT +

R

+ In PA 300 at m. : 2720 250 atm.: 2720 200 at m. : 2830 150 at m.: 287 0 100 at m. : 2870 50 at m. : 2950 lijn door 1

Indien we dus nu log

x

uitzet ten tegen

T

moeten we een rechte

krijgen. (bij constante p), wadr b i j de helling gege ven wordt

~H

2,30) R

Ui t de gr a f i ek vi nden we de volgende waard en voor AH:

J./mol . (6H is po s i t i e f , wa aruit volgt, dat

J./mol . men warmt e meet toevoeren om H

2 in

J./mol . oliezuur op te lossen; bij toene

-J./ mol . men de tempe ra t uu r neemt de oplos

-J./mol . ba arheid toe) .

J

.

/ mo l.

Dat de oplossingsenthalpie af n eemt bij toenemende druk is

waarschijnlijk te wi j t en aan afwi j kingen in de idealiteit van het

stelsel. Over dit trajec t mogen we echter we l een oploswarmte van

gemiddeld 2,8

kJ

. /mol .

aannemen.

Daar er nauNelijks waterstof oplost in het oliezuur (in het

mengvat) zal de temperatuur hiervan ook niet veranderen.

Voor de constructie v~n de mengtank: zie schema. Het vloei

-stofvolume wordt op 200 liter of 0,2

m~

gekoze n. Hi er do or wor d t de

..

verblijftijd: vloeis_{vloeistofstroom}t ofvolume 0, 2

~

_ 481 sec. of 8 min.

0, 41 6 x 10-

-Deze verb l i j f tijd en de vorm van de (gedwongen) stromingen

waarborgen een goede menging.

0,2 5

... 0,43 m.

ltD2

4

x

4D

D

Boven het vloeistofoppervl ak wordt nog een gasruimte geko

-van 50 liter of 0,05 m

3

•

De totale inhoud van de ta nk wor d t

0,25 m

3

•

In de praktijk word t de lengt e van de tank va ak

4

de diameter van de tank gek o z en . Men vindt dan :

zen dus

maal

Daar de maten van het vat verder niet essentie el zijn wor

-de volgende maten voor het vat aang enomen:

D

=

O,5m.

L

=

2,Om.

0,2

1,02 m,

h

De vloeistofhoogte in de tank wordt nu:

n D2

4

x h

Dae ~ de grot e gasr u i mt e k~n de mengtank tevens nog als buf

1 .

-11

-D. Hoge-druk pomp.~

Het vffectieve vermogen van deze pomp wordt berekend uit:

P =

rI

(

-w)

=

rJ

•

~f

e m m

waarin: P

₌

effeètief vermogen in

w

.

e

~m

= massastroom in kg./sec .

w

₌

door de vloeistof op de omgeving verrichtte

arbeid in J./kg.

druktoename in de in N./m2

~p pomp

r

soortelijke massa VH.n de vl o e i s to f in kg. /m3

Ver d er is:

waarin: P1 resp. P2

=

druk in mengtank resp. in reactor

in N

.

/ m

2

g = versnelling van de zwaartekractt in m./sec2

z1 resp. Z2

=

hoogte niveau in men_5tank resp.

reactor.

w wrijvingsarbeid door vloeistof verricht in de

wr

leiding.

procesgegevens, n.l.

i

1,1 Ata. of ca.

1

,1

Bara. >J.

'1 Jr, r1 i, \~

,i,,

"

150 At3..of ca. 150 Ba r-a, !~D

tv--

,,.t....

-P1 en P2 P1 ca. P2

=

ca. is:

f

=

ca.

e

= 9,8

Ve r de r Nu zijn 3 /, 3 ( ) 0,9 • 10 kg'/m hogere temperatuur.

m

./sec~

z1 en z2 zijn afhankelijk van de plaatsing van de

apparatuur. Voorlopig k~n men het O-niveau kiezen op z1'

Men kan z2 schatten uit de volumestroom en reactorinhoud.

In een proefopstelling werd voor de vloeistofstroom gevo

n-den: 200 ml. /uur bij een reactorinhoud van 370 mlo (10) ,

zodat voor een volumestroom van 1,50 lli3/uu r een

r

eacto~in­

houd nodig is van:

0,3 70 • 10-3 3

"'-'--...--..~;...;..;;...-::- X 1,50 = 2,775 m •

0,200 • 10-3

Daar men bij deze hoge drukken het liefst de dia

-meter zo klein mog e l i j k houdt om de wanddikte van de reac

-tor niet extreem groot te moeten maken, kan men voor l o p i g

een diameter van 1 m. kiezen. De hoogte van de

~actor

wordt

dbD ca.

3,5

m. Voor z2 kan men nu gl ob a~ l 10m. aannemen

-1

2-·1

(rekening houde n d me t warmt ewiss elaars , a,pen dag es en meeta pp a- AJ 1lf

I

J y\)J..AJ'0

.

ra tuur).

I

De w is afha nk e l i j k van leidingdi ~meter, de lengte

wr.

van de leiding en appendages. De lengt e van de leiding is af han

-kelijk van de opstelling in de fab r iek. Ook van de we~rs tande n

va n appe nd a ge s et c. is nu nog ni ets te bepalen. He t bl ijkt, dat

he t ve r mogen van de pomp afhank eli jk is van de leidingdi ameter

en wel hoe gr o t e r de di ameter, de s te kl e i n er het vermogen.

Maa r ook geld t: hoe grot er de leiding diamet er , des te hoger de

kosten aan af s c hr i j v ing, rente en onderhoud. Men moe t dus de e

-conomisch optima le diamete r bepalen.

De kosten van de leidin g zi j n glcbaa l evenredig met D2 •

(Dit vol gt ui t: kosten

=

TtDL. t .p. G; G = pr i j s per eenh e i d van

ma s s a;

P1 •D

en t

=

2 (f )

t wandd ik t e

of (daar

~

= in D2 .v ) even redi g met D-5•

Rekent men

~oor

enkele gek oz e n diameters zowe l de kost en

on derh ou d etc . al s de kost en voor he t ve rmogen uit en ze t de

voor

De kosten van het vermogen zlJn evenredi g met w en

L 1 2 wr.

dus evenr edig met 4f.D.2v (afg e zien van wrijvingswe erstand

in appen dage s etc.) . f is in het turbulente geb ied een con snan

-te (ca. 0,03), zodat de kos t en va n het vermogen evenredig zijn

-2

met v

D

gevonden waarden uit tegen de diameter, dan krijgt men gra f i ek

4

.

He t econ omi sc h op t i mum vindt men nu door de beide krommen op te

tellen en het minimum te bepal en. Deze ligt bij ca. 0, 0 20 m.

I f ~'<t> He t effectieve ve rmogen is dan : p -p P ___e rl C_Yi 2 1 + ( ) ~ mt

P

+g z2- z 1 +wwr . , p =0,3 74 '150.10

5

.

9

8

10 + ( 10 ) ,

~

e ~0 , 9. 10 3 + , . 4f •₀,0 20 +

S

f .1 , 76 , Voor f = ca. 0,03 en~ca . P

=

6,.3.10

3

w

.

e

Bij een tota al rendement

10 vin dt men:

of P

=

6,.3 kW.

e

va.n ~tot. = 0,6 wordt het asvermogen:

P as P e =

'1

tot •

.w

0,6 = 10,5 kW. of afgeron d 11 kW.

Da ar in de mengt ~nk toch alt i j d nog wel wat waters tof in

~~~---

-

-13-houden met mogelijke cavit ati e in de pomp . Om di t te voorkomen

moet een minimale aanzuighoogte (N.P.S.H.) in rekening geb r a c ht

worden. De z e is gede f i n i ee r d al s volgt:

De index z slaat op de har t l i j n van de pomp. Pdis de

dampspanning van de vloeistof bij intrede van de pomp . De z e is

hier maximaal gel i jk aan de wat e rs t ofdruk dn

h

et

mengvat (even

-wichtsdruk)•

Nu ge l dt , volgens de energiewet (toegevoe r de warmt e

=

0)

~ 2 )

P1

=

Pd; u₁

=

u₂; P1

=

P

2;

2V₁ = 0 :

~z

>

(N.P .S .H .) +

Voor P2

=

Ca. Pd en voo rgaande gegeven s volgt hie ruit:

.o

z

>

6,4m.

In de pomp za.l de tempe ra tuur iets stijgen, daa r de wri

jvings-verliezen omgezet worden in warmte. Dus:

cj

•

CAT

=

P - P

m as e

Indien het rendement t.g. v. wrijving op

0,7

gesteld mag

of: dan

0

,9)

wordt: p e _ p

0

,7

e pe

2.1.l

=

w:;ë

·

0, 7

m ('-'mech. is

cj

.c.l1T m worden o = ca.

3,

5

c

.

0,1'25 l iter .

De pomp moet een volume ver pompen van 0,416 . 10-3

m~

/sec .

of ca. 25 liter/min . Kiezen we een dubbelwerkende plunjerpomp

van 100 ~/min ., dan moet per slag verpompt werden:

25

100x2

Kiezen we verder een sla glengte van 6xdiameter pl un j e r , dan is:

:t

TtD2 :x: 6D

=

125

D

=

ca.

3

cm.

127cm~

-14-De lengte Van de sl~g wordt 6 x D

=

18 cm. of O,18m . Op de zuigerst ang komt een

kr

~cht

Van

i

nn

2xp (waarin p is de druk op de zuiger): tn( 0 , 0 3) 2

x

160.105 = 11.10? N.

Voor een toelaa tb are spann i ng van0'

=

740 Bar.

=

740.105 N. / m2 wordt de diameter van de zuigerstang:

~

n

d2

x 740.105

=

11.103

d

=

0,014 m.

Bij de heenga ande slag zou dan :

i

Tt (0,03) 2x 18

verpompt worden en bij de terugga ande slag slechts:

~

i

n(

0

,

03)2

-

~

~

( 0 , 0 14 )2,

x 18 = 101

cm~

Totaal voor één toer: 228

cm

~

,

ter wi j l pe r toer ver -pompt moet worden 250

cm~

=Men

kan dit corrigeren door he t

toerental ie t s te verhogen: 0,228 x n 25

n

=

110 toeren / mi n.

Het volume kan verder geregeld worden met een terug -voerleidin g ndar de mengtank.

/"> ....

E. Voorwarmers.~ /

Na de hogedrukpomp wo r d t het oliezuurmengsel verwarmd tot 260 oe. (reactietemperatuur). Voor de verwarming wordt in de eer ste voo rwa r mer gebruik gemaak t van de warmte van het water

-..L.

stof af koms t i g uit de rea c to r . De temperatuur

bedraagt 260 oe. De hoeveelhei d is (zie onder

sec. of 0,185

Nm

~/sec

.

(2,52.10-3

m~/

sec.

bij

Bar ). De war mt e s t r oom is dus: van dit waterstof F)16,5.10-3 kg./ o 260 C. en 150 l i to ~_{2 •. 29 , 29 (26u}~ _{- 50).1 0}

-

3

17)

•

=

51,0 kW. (c =29, 29J/mol. oe

PH

2 o C. moeten zijn; Gekozen wor dt een normale w~rmte-wis s e la~r met pijpen -bundel, wa arb i j het gas om de pijpen en de vl oei sto f door de pijpen st r oomt .

De temperatuur van het oliezuurmengsel zal dan st i jgen en wel tot:

0,374 x 2,1 x (t - 50) 51,0 t 115 oe . (begin t emper atuur had eigenl i jk 51,5

rekening hou den d .n et wa.rmt.everLf.e aen i s echter een temperatuur

v~n ca. 50 oe. a~ngenomen ) .

De logarithmisch gemiddelde temperatuur wordt nu 73.

He t oppervlak (berek en d op de buiten diameter van de pi jpen , om -dat da~r de gr oo tst e warmt ewee rstand is ) wordt dan, bij een g

e-'.

\,

,

.

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

-

-15-kozen U van

200

w/m~

oe.:

51000

2

A

=

200. 73

3,55

m •

Voor pijpen met een inwendige diameter van

6

mmo en een uit-wendige diameter van

1

8

mmo is het warmte-doorlatende oppervlak

0,01885

m~/m.

en de doorsnede

0,284.10-4

m~

Bij een

~

=

46

liter/uur

v

is het Re-getal groter dan

16000

(dus t~bulent). Houdt men hetzelf-de Re-getal aan, dan heoft men:

3600

x

0,51

=

46

40

pi j p en nodig.

De lengte van de warmtewisselaar wordt nu:

35

x

0,01885

x

L

L

3,55

5

m.

De diameter Van de warmtewisselaar wordt als volgt berekend: D

1 = m x t ; waarin m~een factor, die afhankelijk is van het

aantal pi j p en ( te vinden in tabellen) t =steek tussen de pijpen in mm.; deze

wordt berekend uit: t =

1,4

x uitwen-dige diameter van de pijpen; hier dus:

1,4

x

18

=

25

mm.

Om het gas te geleiden en een redelijke snelheid te geven

(waardoor warmteoverdracht beter wordt) worden

8

schotten in de shell

aangebracht.(Re = ca.

2500).

~J

In de volgende voorwarmer wordt het oliezuur-mengsel opgewarmd

van

115

oe. tot

260

oe. Hieryoor is nodig:

0,374

x

2,1

4

(260-115)

114

kW.

1~ x steek = 2 x y

Totaal wordt de diameter van de warmtewis-selaar dus:

218

mmo of

0,218

m.

Gewoonlijk kiest men dan een diameter van een pijp, die in de handel verkrijgbaar is.

Bijvoorbeeld een

9"

pijp met een inwendige

diameter van

22,5

cm.

m =ca.

6,46

6,46

x

25

=

162

:mm.

(zie schets}. Bovendien komt hier nog bij

2

x

i

d_uitw.pijp=

18mm.

en

38

mmo

Dus :

D

=

D 1

Voor de ve~arming wordt condenserende Dowtherm A gebruikt (al-leen de condensatiewarmte wordt gebruikt) van

2,6

Bara. De condensa -tietemperatuur is

304,4

oe., zodat het logarithmisch gemiddelde tempe-ratuursverschil

100

oe. wordt. Geschat wordt: U =

500

w./m

2.oe.

Het

• I

, ! II

I I

-16-Het oppervlak wordt dan:

A

=

114000

500 x 100

2

=

2,28 m.

Gekozen wordt een warmtewisselaar, die bestaat uit een spi-raalvormig gewonden pijp, die ingeklemd is tussen twee cylinders (calorisator). De pijp heeft een inwendige diameter van 0,020 m., waardoor een eenvoudige aansluiting op de rest van het leiding -systeem verkregen wordt (zie D). Het inwendig oppervlak is 0,0628

m~/m.

en de doorsnede is

3,14.10-4m~

Het oliezuur-mensel gaat door

de pijp met een volumestroom van 0,51.10-3

m~/sec.

(of 1836 liter/ uur). Het Re-getal is dan groter dan 16000. Uit ondersta~nde bere-kening blijkt, dat, indien men een nmrmale warmtewisselaar gekozen had met pijpenbundel, ca. 4 pijpen"n~dig geweest waren.

1

.

~

0,0314 800 0,0492 x 1836 en~ " . l'.... I 510 liter/uur

=

ca. 4 pijpen. (bij ~

=

800 liter/uur en v

een doorsnede van 0,0492

dm~

is Re groter dan 16000). De lengte van de pijp van de gekozen warmtewisselaar wordt nu:

2,28

0,0628

=

36,3

m

.

Voor de diameter van de spira al wordt genomen ~,75 m.

De omtrek van de spiraal wordt dan rtx D = rt X 0,75

=

2,35 m, en heet aani t I ' d'a w~n ~ngen: 2,3536,3 2 15 45, 0f afgerond naar boven 1 6 ' w~n-dingen. De steek (afstand tussen de hartlijnen van Ue buis over een doorsnede) is: uitwendige diameter buis + 20

=

30 + 20

=

50 mmo De hoogte van de warmtewisselaar wordt dan: 16

x

50 + 30 ~ 830 mmo of 0,83m.

Aan Dowtherm A is nodig:

of (bij d = 9,38 kg,/m 3) gas en(bij d I t_{v s .}

=

810 kg./m3) F. Reactor.

~

114 0,421 kg./sec. 0,0449

m~/sec.

(damp) 0,525.10- 3

m~/sec.

(condensaat)

Volgens opgave van de Hr. H.W. van der Linden heeft een om-zetting van 50% (selectiviteit 100%) plaa t s bij een druk van 150 atm., een temparatuur Van 260 oe. en een verblijftijd van 1,85 uur

I

(zie ook lito 10). Een reactor met deze verblijftijd zou voor deze productie veel te groot zijn. Bovendien wordt naar een omzetting

van 90% gestreefd. Met behulp van grafieken (lit. 11; voor eerste \

~

vC

-

,

':

(

\L

~

"

Gtl-->---j' I

I

I

-11-orde reactie) komt men tot de conclusie, dat men

5

reactoren in cas

-cade nodig heeft, om redelijke af me t i ngen te krijgen. De verblijf

-Om de wanddikte te beperke

_---

n wordt een diameter van 0,6 m.

...

_-

-

-

.'.

-

-gekozen. Hieruit volgt voor de hoogte 6,08 m. Hierboven wordt nog

een gasruimte van ca. 1 m. aangehouden (meesleur effe ct) , zodat de totale hoogte 7 m. wordt.

Aangezien geen thermodynamische gegevens van oleylalkohol bek end zijn, zal de reactiewarmte berekend worden ui t de inkrement en

van de en t ha l p ie ( 16 , 18, 19). Bij 260 oe. (533 oK.) zijn de inkr

e-menten voor:

I)

de reactoren wordt dan dan 4,93 uur. Het totaal vJlum e van

volumestroom 0,51 .10-3 m?/sec. is):

-

3

8

3

0,51 .10 x 3600 x 4,93 = ,74 m.

Elke reactor heeft dan een volume van 1,75

m~

c-;;.O _{-390, 8 kJ./ mol.} - 'OH -CH - - 23,1

_"

2 primair -OH -17 6, 3

_"

vormingswarmte H 20 -244 , 1

_"

. gas

condensati ewarmte

H

₂0

-

18,3 11

tijd is (als de

De reactiewarmte wordt dan:

(-23 ,1 - 176 , 3 - 244,1 -18 ,3) - (-390,8) =-71 ,0 kJ./mol .

Daar 1,185 mol./sec . omgezet wordt, krijgt men:

71 x 1,185 = 84,1 kW. vrij.

De reactie vindt in de oplossing plaats, zodat he t water

-stof hiervoor eerst opgelost moet worden. Verder wordt aangenomen dat de oplosbaarheid van waterstof in oleylalkohol ongeveer even groot is als in olièzuur.

of

kmoLvZs ec ,

krool.!se c .(grafiek

1,

2)

= ca. 7,5 kW.

7,5 = 76,6 kW.

Totaal Voor de reactie is nodig: 2x1,185

Verder lost nog op:0,804 x 0,371

-

3

= 2,37.10 0,30.10- 3 - 3 / 2,67.10 krool. sec. 5,34.10-3 kg./sec .

De oploswarmte bedraagt: 2,8 kJ./mol .

Verbruikt wordt dus: 2,67 x 2,8 = 7,48 kW.

Over blijft aan vrijkomende warmte: 84,1

-76,6 29,29 (260 - 20)

~~

2

- 2 - x

Dez e wa r mt e wordt afgevoerd door waterst of , in overmaat, koud in te voeren . Nodig is dan aan waterstof (c = 29,29 J. /mol . oC. ; 17):

PH

2

I 1

I

I

I

I

1

,

-3

of 10,9.10 kmol./sec.

-18--3

/

21,8.10 kg. sec.

~m

H₂

Dit is : 0, 244

Nm~/sec.

of bij 160 atm. (in eerste re

-ac t or heersende druk) en 293 oK. :

2,

0.10-3m~/sec.

(berekend uit

P.V. = B.n.R.T ., waarin 9= 1,15). Recapitulerend wordt:

21,8.10- 3 kg.H

2/sec. in de react or ingev oe r d . Hiervan wordt voor

de reactie gebruikt: 4,74.10-3 kg./sec. (Deze hoeveelheid moet

steeds vers worden aan g evo e r d ;

9

=

0,053

Nm~/sec.).

Opgelost blijft:

v

0, 60 . 10- 3 kg./sec. (Dit ge de el t e ontwijkt in het expansievat en

wo r dt teruggevoedt vó6r de compressor;

9

=

0,007

Nm~/sec.)

.

Gere

-v

circuleerd wordt steeds: 16,5.10-3 kg./sec. of bij 150 Bar en 50 oe.

(

323

0 )

K. : 1,56.10-3 m. sec3/ .

i

Met deze overmaat waterstof wordt tevens in de reactor

ge-roerd door het gas door straalbuizen tan gentiaal onder in de re

ac-tor te blazen. Het roerende effect kan al s volgt berekend worden

(deze berekening pretendeert niet exact te zijn, doch dient slechts

om een indruk te krijgen) (zie lit o 42, 43).

Aangenomen wordt een drukva l per reactor va n 2 Bar (n.l.

1 Bar. over de. 8~~ en 1 Ba r. voor vloeistofdruk +

wrij-vingsverliezen). In de eerste reactor komt het waterstof dus met

een druk van 160 Bara. Uit de la atste reactor komt het met een druk

va n 150 Bara.

Bij 160 Bara en 20 oe. is de soorteli~~e massa:

-

3

21,8 .10

3

10,9

kg

./m~

(zie ook het voorafga ande). 2,0.10

Drukval over de straalbuis is: 10 5

N

./m~

( 1 Bara.).

Da ar

1

('2

2

)

ê..E.=

2 ": - _{v 1}

p

en aannemende dat v₁

=

°

(=

snelheid van het gas v6ór de

straal-buis) is: 10

5

2

- - -

-~

(v

2 - 0) 10,9 -v₂

=

136 m./sec. Verder is: V wa~rin V

=

c

Df~

(zie lito 43) volume van de ontstane wat e r s t o fb el in

cm~

e een constante;

D diameter straalbuis in cm. (gekozen

wordt een straalbuis met een

diame-ter van 0,061 cm. )

I I " I

I

I

I

l

~

Ui t gra f i ek 5 0,02 . Dan wordt: V

-

1

9-(hier ca. 10 äyn e/cm. )

f

=

soort el i j k e massa va n de vloei stof in

g

.

/cm~

(hier ca. 0,72

g

.

/cm~)

(overgenomen uit lito 43) volgt voor C: ca.

3

0,017 cm.

De diamete r van de onts t a ne water s ~ e ll en wordt dus:

1.

•

1'( . r3

=

0,017

3 _r

₌

_{0,159cm. of d = 0,0032 m.}

De uiteindelijke snelheid van de bellen in axiale richting wordt dan 0,3 m./sec. ( zie grafiek 6 voor vlug opvolgende bellen; uit lito 43) . Dit kan ook berekend wor den uit:

(waarin c

=

ca. 0,22). w

wordt dan:

kontakt zijn met de vloeistof

6

0,3

=

20 sec. De tijd, waarin de bellen in

hoogte vloeistófkol om

snelheid gasb ell en

Volgens de impulswet is:

~m

•

v

₁ +

~

•

v

₂ =

(~

+

~

) v.

1 m₂ m₁ m₂

~m en

V

zijn de mas s astromen va n resp. waterstof en olie

-1 m₂

waarin:

x v

ongeveer 0,5.)

zuur-kata lysator-mengsel

en v

1 ' v2 en v de snelhe de n va n resp. waterstof, oliezuur-k a-talysator-mengsel (deze is ongeveer 0 in tangentiale richting)

en de gezamen lijke sne lhe id na impu l s ov e r dra ch t . Na invullen van de gegev en s kri j gt men : 21,8.10-3 x 136 = (21,8 + 374 ).10-3 v

=

7,5 m./sec. of uitgedrukt in toerental (st r a a l w = Het __{v =_.}

₇

l ; _ ~ 15 toeren /sec. r - 0,5

-is va nzelf s preken d, dat di t toerental, door de

vloei-stofwrijving, niet geha ald zal worde n.

He t overge dra gen ver mo gen is :

_ rI è.E. _

-

3 ~ _

Pe - 'f'm

p

-

21 , 8. 10 • 10,9 - 200 W. 0f 0,2 kW.

He t aan t~l openingen vindt men ui t :

136..n

=

2.10-3

n

=

50

-- - ~- --- -r- -·

~·-~--···--

-20-Door deze opening op de buitenste helft

van de straal te plaatsen, krijgt men een

roerend effect zowel in tangentiale als

in axiale richting (zie nevenstaande

schets).

G. Wate.E..st0f.-~0!!!.p.E..e~s!.r~

1.

\

Gekozen wordt een gegeven vijf-traps compressor met de

volgende gegevens: Aanzuigvolume ca. 120

Nm~/uur.

bij 400 omwentelingen/min.

De trappen zijn als volgt onderverdeeld:

1 Ata. - 3,6AAta . - 13 Ata.- 47 Ata.- 170 At a.- 600 Ata. ,

Waaruit dus blijkt dat de drukverhouding ongeveer 3,6 is.

Dez e compressor wordt nu gemodificeerd en voor ons doel

geschikt gemaakt. Dit gebeurd door de laatste trap weg te laten

en het toerental te verhogen. Het te verpompen volume moet n.l . :

2,67 .10-3 x 22,4 x 3600

=

216

Nm~/uur

(dit is de hoe

-veelheid waterstof, die aan de reactie deelneemt en de hoeveel

-heid , die in de :oleylalkohol opgelost blijft en pas in het

ex-pansievat vrijkomt) . Het toerental moet dus nagenoeg twee maal

zo hoog genomen worden

(~~g

x

400

=

720 toeren/min.) .

Een drukreg el aar na de compressor bedient een regelklep

in een terugvoerleiding, waardoor de druk af g e s t el d kan worden

op 160 Bara. Indien aangenomen wordt, dat de compressor nagen oeg

adiabatisch werkt (de wrijvingswarmte wordt dan opgenomen door

het koelwater in de mantel) is het effectief vermogen te ber

eke-nen uit: p e

'-=

cl

f

~

m1

r

c C (waarin K

=

...J2. c v

bij deze con

-dities ca. 1,4 ; lito 17).

Voor de eerste trap wordt dan

P

=

2, 8 7

k

W

.

e

Daar in iedere trap eenzel fde vermogen wordt opgenomen,

wordt het totale vermogen van de compressor

P

-21-Bi j een tota a l rendement va n

'l

= 0, 7 wor dt het asvermogen:

8

0

Pas 1;:i = 16,4 kW. of afg e r on d 17 kW.

~

I

r '.

! IO

De overma at wat e r s t o f ontwijkt uit de la at ste reactor met

o

een druk van 150 Bara. en een temperatuur van 260' C. Dit waterstof

wordt eerst gekoeld me t het koude oliezuur-kat ~lysator-mengse+

(zie

E)

.

Vervolgens moet de druk weer opgevoerd worden tot 160 Bara.

Dit geschiedt in de gasomlooppomp. De terep e r atuur van het gas vóór

de pomp is 50

°

C.

Bi j een adiab ati sch werkende pomp zal de t

empera-tuur van het gas in de pomp stijgen vol gens:

1- J( _TI< 1- X _Tl< c

(wa arin weer

)(

=

...E. hier 1,428 ;

P1

.

₁ P2

.

_{2 c} v lito

17)

150-0,428 323 1,428 160-0,428

.

T1,428 2 o 0 T₂

=

331 K. of 58 C.

Gekozen wordt een dubbe l weken de plun j e r pomp , waarvan de slag

is 6 x D en het toerent al 100 toeren/min. is.

=

0,8

1 2

₆

2x"4ltD x. D

Verder wordt ges cha t : n

=

aan zu i gvol ume

l vol. volume v. d. sl ag

aanzuifol.= n_

Het volume van desla g 0

_,

-- 60 x

(n

=

toerental in toe ren /min.; D diameter cylinder in m.)

-

3

1,56 .10 0,8 D 100 2 1 D2 6D ~ x x 4lt x 0,050 m. De lengte wor d t dan: 6 x 0,050

=

0,300 m.

De zuigerstang behoeft nu niet di k te zijn daar over de zui

-ger slechts een drukverschil heerst van 10 Bara (evt. kan het to~ren

-tal weer iets hog er gek oz en worden ; zie ook D).

vermogen weer te

waa r den is: P = 3,27 kW:, ter

-e

lJD.

_

O 7

,

- ca. 5 kW. wor dt.

wijl voor tttot . = 0,7 het asv ermog en : Pas

Voor een adiab a t i s ch werk ende pomp is het

2 d

berekenen uit: P =

rj;

S

~

en.E.l( = C

e m1 T

f

Na invul l en van de betreffen de

8350

w

.

I.

I

I. Wale.E.s to fk~ele.E..1!!l

Vóór het water stof weer teruggevoerd wordt na ar de reactor

moet het gek o el d worden. Voor de uitvoeringsvorm van de hiervoor b

e-nodigde koeler wor dt weer een calorisator gekozen. De overgedragen

warmte is: -3

16,5 .10 3 ( )

-22-Geschat wordt: U

=

200

W

./m~

oe. Indien verder het koel

-o

water opgewarmd wor dt van 20 naar 35

C

. ,

wordt het logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil 12 0. Het warmtewisselend opper

-2

=

3

,48

m, 8350

200

x

12

U x ~T_log.gem.

De spiraal wordt gemaakt van een pijp met inwendige dia

-meter 16 mmo en uitwendige diameter 24 mm•• Het warmtewisselend oppervlak van deze pijp is 0,0503

m~/m

•• Hieruit volgt voor de vlak wordt dan: ~

w

A

=

-

-benodigde lengte van de pijp:

7,8m ./sec . ,

-

3

1,56.10

=

70 m, A 0,05°3

~e gassnelheid in de pijp is dan: wat toelaatbaar is)

De steek wordt 35 mmo genomen (de vloeistofstroom is dan 428 liter/uur, waarbij Re) 10000).

Hetaantal windingen wordt nu ( indien de diameter van de

windi ngen weer op 0,75 m. gesteld wordt):

n x

n

x

0,75

=

70

n

=

30 windingen. De hoogte wordt: 30 x 35 + 35 1085 mmo of 1,085 m. (z ie

F)

-

3

/

317 ,0 . 10 kg. sec.

-

3

/

21,3 .10 mk g. sec.

-

3

/

0,6 . 10 kg. se c .

-

3

/

(

)

40,7 . 10 kg. se c . zie

B

Totaal 379,6 . 10-3 kg./sec .

Afgerond is dit: 0,380 kg./sec . of (bij een dichtheid va n

-

3

l 3 ) -3 3/ 0,7 . 10 kg. /m . ; lito 20 ca. 0,5.10 m. sec. ca. omgezet ol iezuur opge l o s t waterstof katalysat or + niet -J . EXE,a!ls i ey'ai.

f1

In de reac to r en wordt 90% van het ol i e zu u r omge ze t in

oley l a l ko ho l , en wel 1,185 . 10- 3 kmol ./sec . (z i e on de r A). Hierbij on t s t a a t tevens water . Het mengsel , dat de laatste react or ver

-laat beva t dus de volgende producten :

8

-

3

ol ey l a l ko hol 1,1 5.10 x 268

8

-

3

water 1,1 5.10 x 18

wordt al s vol gt berekend

idealit eit vero nde r s te l d )

+

(rj

•

.ah )H +

m 2 in opl.

Door expa n s i e zullen nu het waterstof en het water ontwijken . Voor

de ze verdamping is warmte nodig, zodat de temperatuur van de vloe

i-st of za l da len. Dez e temperatuurdaling

(wegens gebr ek aan gegevens wordt weer

(

ri.

_~m.flh ) +

(ri.

.flh ) . oleyl a l k. ~m kat.+o11ez. +

(ri.

•

.ah ) =

(ri. •

A

h )

~m H verdamping ~m u H ° 2 2

.

_ - - - -

-

-- - - - _ .

--2

3-waarin: ~m

=

de stofstroom behorende bij de ge1n di c e e r de component

, en 4 h enthal pievera nderin g behoren de bij de ge ï n d i ~ e e r d e

component

6~ wor d t berekend msbsv, gra f i ek 3 en A~ 0

2 verdamping 2

wordt gev on den in stoomt abellen af een mollierdiagram, terwijl de

Ah voor de an de r e componenten berekend wordt met c .dT.

p Dus:

x 2

, 1 (2

60

-

t ) +

0,6

.10 -

3 x 2

9

₂₂

9

x

179

3

x

21, 3

•

1

0- 3

0,317

x

2,1

x

(260 - t)

+

0

,041

-3 2 8 3

x

( 260

-

t) +

0

,6 .10

x ~

10

t

210

oe

.

(Voor de berekening van ö~ omoet eerst de eindtemperatuur ges chat

2

worden : door iteratief berekenen wordt de eindtemperatuur bepaald).

Uit het vat ontwijkt nu als gas:

21,3

.10-

3

kg./s ec . waterde

-3 / ( -3 /

en

0

,6 .10

kg. sec. wa ~.~~stof tota al

2

1, 9

.

10

kg. sec. of

3

,

"

-

3

'

33,3

Nm./s ec . of ca.(58 m./sec .) .

is, wordt het volume van de vloeistof

-

3

3

V

=

0,5

.10

x

600

=

0,

3

m.

sec.

Al s vloe istof stroomt uit het vat:

0,317

kg./sec . oleylal

-kohol en

40

,7 .10-

3

kg./sec. oliezuur+kat aly sator (totaal

0

, 358

kg./se c . of ca.

0,5.

10-

3

m~/sec.

)

.

De grootte van het expansievat is uit chemisch en physisch

~.,u.

';

oogpunt van wea.m.g belang. We l moet een redelijke verblijftijd aan-

>:

;

..

l

"

I

,

(.{"'J'VY...;•.,.-tl ...

gehouden wo r den (ca.

10

min. =

600

sec. ). Dit vat kan echter tevens - n

als buffertank dienst doen. Daar de volumestroom ca.

0

, 5

.

10

-

3

m~/

~

,ttcl J

'

r'

i:n he t vat:

,

~yV)

deJ-"

l-v-lA.-1...Avv ..flv_',

over de t ijd voor de helft gevuld

3

0,6

m ,

=

4D is:

Indien het vat gemiddeld

is, wordt het volume va n het vat

Bij eeh verhouding va n

L

i

TtD2 x 4D

0,6

D

0

,576

m.

en L

2,304

m.

Deze bedra gen wor den afge r on d op D =

0,6

m. en L

=

2_L

9

m.

(de verblijf tijd bij een gemidde ld ha lfgevu l d e tank is da n

9,4

min.)

Boven in het expansievat wordt nog een spatpl aat aan gebracht,

zodanig, dat de gassnelhei d tussen deze pl a a t en de top van het vat

niet ~o t e r is dan de gassnelheid in de af v oerl e i di n g.

K. Qonden~0E. ~a_e!'p~n~ievat .~,_

Om het waterstof, dat uit het expansievat ontwijkt terug te

winnen , mo et de waterdamp gecondenseerd worden. Dit gebeurt in een

-- - --- - - --

-

-24-het direct teruggevoerd kan word en na ar de compressor.

De moeilijkheid bi j de berekening van deze condensor ligt in het feit, dat de uitstromende stoffen lwaterstof en water)ver

-schillende temperaturen hebben. Het condenserende water zal n.l .

van de pijpen af druppelen en niet verder gekoeld worden, terwijl het waterstof in contact blijft met de pijpen en dus verder ge

-koeld wordt . Bovendi en weet men niet in hoeverre dit apparaat al s gaskoel er werkt. De schatting 20wel van de eindtemperatuur va n de ui t s t r omen de stoffen als van de totale warmteoverdrachtscoëffi

-cient is dus vrij dubieus. Ge s cha t wordt voor de eindtemperatuur

van het waterstof gas 40 oe. en voor het water 90 oe., terwijl

U

=

30

W

. /m~

oe. gekozen wordt (d.w.z . het apparaat werkt meer als gaskoeler). Het logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil

o

wordt nu ca.

93

-a an de ene zijde van de condensor is het

tem-peratuursverschil

21

0

- 35

g

75

oe. (het koelwater warmt op tot

35

oe.) ; aa n de an der e zijde van de condensor is het temperatuurs

-verschil

(40

-

20)

+

(90

-

20)

45

oe. 2 De overgedragen warmte is nu (c

PH

2

2

9,27

kJ./kmol ., lito

17

;

6~

0

=

2519

kJ./kg. , zie stoomtabel):

2

f 1- H

0 6 10

-

3

2

9

,27

(21

0

-

40)

a koe lGg 2 : , . x 2

1

, 5

kW.

afkoeling + condensatie van water:

n

-

3

v.

x L\h

=

21,3. 1

0

m_{H 0} 2 x

2519

Totaal

= 53

,6

kW.

55,1

kW. 2 m.

___

----:.;.,--

=

551

00

=

19 8

3

0

x

8

4

'

Het oppe r v l a k moet nu dus wor den :

~

w

A =

_U

_{. AT}

log.gem.

Voor pijpen met een inwendige diameter van

12

mmo en een

of

3160

lit e r/uu r .

55100

_

4190

x

15 - 0,878

kg./sec .

c x .o.T

uitwendige di ameter van

1

9

mmo is het warmtewisselend oppervlak

0,0377

m~/m

•• De totale lengte va n de pi jpen wordt dan:

1

9

,8

_ 525

m.

0

,0377

-Stel de l engte van de warmtewissel aar op

3

m., dan wordt het aantal pi j p en:

~ =

175

pi jpen.

De hoeveelheid wate r in de pijpen is:

cf

_w

Verder moet in de pijp een sn elhe id aangeh ou den worden van:

door s nede v~n de PlJP

1

2

mmo inw.

doo rsnede van de pi jp van

25

mmo inw.

x

8

00_° ,

0,0

0 113

4

92

x

80

0 -

-25-3160 ..

Het aantal pi jpen pe r pass wordt dan: ~ = 17 p~Jpen/pass.

175

Het aantal passes wordt nu:

-rr

= 10,2 of afge r ond 11 passes.

Uit D₁ = m x t en t 1,4 x 19 = 27 mmo volgt weer:

(m 13,9): D

1 = 13,9 x 27 375 mmo

2 _x ~ . . _{19 mmo}

-2 P1JP

2 x y = 1~ x steek = 1%x 27 = 40 mmo

per pas s komt nóg ea n bi j drage

van 10 mm.=1 1x1 0 Totaa l D 110 mmo 544 mmo of afgerond 0, 55 m. Totaa l oliezuur

(Correctie op het loga r i thmisch gemi ddel d e temperatuursverschil voor

het aantal pijppassen is nièt nod i g ; de correctie is ongeveer 1)

L. Destillatiekolom.

Het mengsel, dat het expansievat verla at bevat:

oleylalkohol : 0,317 kg./sec .

katalysato r + niet-omgezet

0,041 kgl/sec .

/

(

-

3 3/

0,358 kg. sec. ca. 0,5.10 m.

se c .)

Eventueel kunnen nog geringe hoeveelheden waterstof en water

aanwezig zijn (vooral waterstof, da ar dit bij hogere temperatuur be

-ter oplosbaar is in oleylalkohol dan bij lag e r e temperatuur).

Daa r bij de scheiding de temperatuur niet te hoog ma g wor den

(kans op pa iymerisatie-producten ) moet onder vacuum gedest i lleerd

worden. Hierbij mo et rekening gehou den worden met de drukvàl ove ~de

kol om . Gekozen wordt een gewone schotelko lom. Over de schotels mag

men nu een drukval van 3 cm. w~ter/ schotel aanhouden, zodat een tota

-le drukval over de kolom ontstaat van 0,75 m. water of 7,3

5

.10 3

N

./m~

als er 25 sc'~otels in de kolom zijn (dit aan t a l werd gevonden door

eerst een constante dr uk te veron ders tel len en in een x-y-diagram het

aantal schotels te construeren, vervolgens reken ing houdend met ee~ scho -~

terlrendem ent van ca. 70

'to

.

)

.

f){/·vt.tu•.1

~-_.

De grote moeilijkheid bij de verdere be rekening was het gebrek

aan gegevens zowel van oleylalkohol zelf, als van het systeem oliezuur

-oleylalkohol (de katalysator werd verder niet in tekening gebracht.)

Van oleylalkohol waren slechts de dampd r ukk en bij twee verschillende

temperaturen bekend (lit. 20, 40), terwi;l van oliezuur meerd e r e b

e-kend waren (21 , 22, 26, 41) . Om nu toch een enigszins red el i j k x-y

- - - -- - - - - -

-

-

- - - .

-

26-Aangenomen werd weer idealiteit. In eer s t e instantie kan dan

op ol ie zuu r en oleylalkohol af zon de r l i j k de wet Van Clapeyron toe ge-past worden , n.l . :

log. P_o1_lezuur"

log. P 1_{o ey a}1 Ik_•

waarin: P

_o

1" en P I l Ik de damps panning van het zuivere

lezuur 0 ey a •

ol i e zuu r resp. het zuivere oleylalkohol in

N

./m~

A en B = constant en, waarin de verdampingswarmte en de gas

-constante zi j n opgenomen n.l . : A

en B

verdampingswarmte olie z.

2,303 x R

verdampingswarmte oleyl a lk.

2,303 x R Z Gl z ", -i < l> % -l o

,.,

." ~ IJ> V> A = B) en vervolgens (bij (D = C".A · ; E of

en f(T) . Deze laa t ste func-van de kookpuntsverhoging (zie te men: +

E

'\G

= - + C'of + C' RT A + D T .x dan wordt: Is C T

=

temperatuur in oK. CA en

1B

zijn con s t a n t en.

Me t de uit de lite~atuur bekende geg ev en s wordt nu log.P uit-gezet tegen

~

(grafiek

8)

.

Bij het oliezuur wordt nu, zoals verwacht een recht e gevonden, terwijl bij het oleyl alkohol verDndersteld wordt, dat dit het geval is. Uit deze grafiek blijkt nu ook, dat de verdam -pi n gswa r mte van oliezuur en oleylalkohol ongeveer gelijk zijn (zelfde

hel ling )•

Verder wordt nu aang en omen , dat ook voor de totaal druk de

wet van Cb,peyron geldt. 131 ' liliJg' liJ I. lipL ; Jell! IJ !I . l E\~en\'iK is:l..~P= Ç(Lo!l.t~ In

P

=

x

.P

_oleylalk. +

(1

+

x) P

_ollezuur

"

voor P I l lk_{o ey a .} en P l ' ingevuld, waaruit vo

0 lezuur

et een dus weer een rechte li "n voorste lt.

P

=

weer te integreren v

A

log.P

=

-

T +

Hierin is C

=

tie werd gevonden uit thermodynamica):

dx

=

'\G

dt

RT2

- -

- - - -

-

-27-nauwkeuri

e..a~"OtlrëI i s

wa~.~_l~og.x in een reeks

C"log.x, logarithmische fun c t i e in x; voor de ..~-."..t1..l:3Chouwd; w--:.;ij"l...m.l::m--c!ie kan worden o echter C ger

Stelt men nu de eis, dat boven in de kolom x

=

0,

99

en onder

in de kolom x

=

0,01

.

Verder will en we boven in de kolom een druk

hebben van

5

mmo kwik. Bij benade ring heeft men dan zuiver oleyl

alko-o ( 0 1 =

-

3

hol, zodat de temperatuu r wordt t

=

184

C.

457

K

.

en

T

=

2,1

9

.10

°K:

1;

zie grafiek

8

)

.

Ui t :

P x.P_{oleyla lkohol} + (1 - x) P l ' volgt

0 lezuur

P =

0

,99 •

846

+

(1 - 0

,

99)

228

=

642

N

./m~

en 10g.P

=

2

,808

1

-

3

0 - 1

Door het pun t : 10g.P

=

2,

808

en

T

=

2

, 19.10

K

.

gaat dus

de rechte voor de tota a l druk. Het ander e pun t is te vinden, door

bij deze druk

7,35

.

103

N

./m~

(= drukva l over de kolom) op te tellen.

79~ 2. · 2

Deze druk wordt dus:

7350

+

642

=

N./ m. Da ar aangen omen is x

=

0

,01

onder de kolom, is de temperatuur na genoeg

265

oe.

(5

38

O

K

.

en

1

-3 0

-

1 )

"

1

T

=

1,

86

.

10

K

.

•

Dlt punt ligt dus bij: log.P

=

3

,90 2

en T

=

1,

86

.1

0-

3

°K-

1

•

Door deze beide punten wordt nu een re ch t e ge t r ok

-I •

ken in grafiek

8

.

M.b .v . deze gra f i ek is bi j ve r sc~i llen de temperatu re n P,

P_oleylalk. _. en P_{0 lezu}I" _{u r} bepa al d en hiè r ui t x en y berekend met:

x.Poleylalk. P en y P - P_oliezuur x P - P ol ey lal k. oliezuur

In de tabel

6

zijn deze berekeningen samen gevat.m

In grafiek

9

zijn een T-x- en een x-y-diagram getekend met

deze gegevens.

1,1

82

+

0

, 131

Dus de bruto samenstelling is x

=

Nu was de samen s t e l l ing va n de voedin g:

0

, 131

mol. oliezuur + kataly sa t or / s e c.

1,182

mol. oleylalkohol/sec. (zie B)

1, 1

82

en

0,

90

De temperatuur van de voedin g was na het expan sievat

210

°c

.

Uit het T-x-di agram zou dan volgen, dat er ie t s van de voeding zou

verdampen.

Wor dt echter de voeding al s kokende vloeistof ingevoerd, dan

volgt uit het xTy-di agram dat de voe di ng op ongeveer de

6

e sc ho t el

ingevoerd moet worden. (als de refl~ R = 1). De druk hier i s: L,.rM,>~""

5

x

0,03

x

9

,8 .10

3

+

642

=

2112

N/m

2

(drukval over

5

scho t e l s ).

-28-o

heerst van 214 C. De voeding zou dus al s niet kokende vloeistof

in-gevoerd worden. Deze discrepant ie is w~ars chijn lijk te wi j t en aan he t ni

et-ni et- l i n ea i r

~ijn

Van logP

to t• en

~

• De afwi j k i ng is ech te r betrekke

-lijk ger in g. Aangenomen zal wor de n, dat de vo edinb al s kokende v

loei-stof op de 6e schot el ingevoer d wordt bij een reflax R

=

1. Bij R

=

1

was de eer ste wer klij n: R 1 Y_{m + 1 R+1} x_m + _R+1 x_D Ym -~ x + 1 (;,995 + m ~ De twe"'de werklijn is: RD + qF B Y_m + ₁

=

_{RD + qF - D} x_{m RD + qF - B} ~ q = dus D + F B Ym + D + F - B xm D + F -+- B ~ Door x

F

=

0,90 wordt nu een vertica a l getrokken tot deze de

eerste werklijn snijdt. De tweede werkli jn ga at nu door dit punt en

het punt y = ~ = 0,01.

In het x-y-diagram worden nu de schotels getekend. Men vindt

Ca. 16 schotels. In verband met de schotel-efficiency (waar al enigs

-zins rekening mee gehouden is bij de cons t ructie) kan men wel 25

scho-tels aannemen, terwijl de zesde schotel de voedingsschotel is

(even-tueel kan men voorzieningen treffen om de voeding op een andere scho

-tel in te voeren; of men kan de refle x and e r s kiezen).

De samenstelling van het desti lla at is: x

=

0,995 en de sa

-menstelling van het bodemproduct is~ x = 0,01.

De temperatuur van het destilllt bedraagt 184 oe. en de druk

5 mmo kwik (of 642

N/m~)

.

De temperatuur Van het bodemproduct

be-d.r-a.agt 265

°C

.

en de druk 731

°

N/m~

~

V

-

"

-

'

"

Aangenomen wordt een schotelafstand van 0,60 m., zodat de to

-tale hoogte wordt 25 x 0,60 = 15,0 m.

De diameter volgt uit de gassnelheid. Deze wordt berekend uit:

V

f

L

-

f

G

v_D c

f

G.

3

I

3 . 3

waarin

f

_L 0,759.10 kg. m; en

f

_G

=

0,1335 kg./m .

Verder is c een constante, die uit grafieken kan worden gevonden.

Voor een vlo e i s t of slo t van 2,5 cm. wor dt c

=

0,05 m./sec., zodat:

V_{D '}

=

°

05 V O, 759.10 3

°

,

₁₃₃₅- 0,13 35

=

3 735_{' m,}/_sec.

Voor R =

~

= 1 en D = 0,317 kg./sec . is:

~

=

2 x 0,317

=

0,634 kg. /sec.

m

- -- - - -

--rJ

_v

G

0,634

6

3/

~~~ =

4,7

m, sec.

0,1335

-2

9-Dus het doorstroomde oppervl ak va n de kolom wordt:

4

,76

3,735

1,275

m,

M. Condensor destillatiekolom.

Uit de grafiek

8

volgt uit de hellingen van de lijnen, dat de verdampingswarmte van oleylalkohol ongeveer

827

kJ./mol . is. Daar in de condensor

2

x

1

,182

=

2

,364

mol. oleylalkohol/sec. gecondense erd

wordt (totale condensor) zal dus

rJ

=

2,3

64

x

8

27 = 1

995

kW. of afge -w

rond

2000

kW.

Gek ozen wordt we er een normale condensor, waarbij het k

oelwa-ter door de pijpen (d.

=

25

mm.; d Ot

=

32

mm.) stroomt en

opge-anw, U1 w.

o 0

warmd wordt van

20

C. tot

50

C. He t logarithmisch gemiddelde t

em-peratuursverschil bedraagt dan

148

.

Stel voor de totale warmteoverdrachtscoëfficient U =

600

w

.

/m~

\

Het oppervlak wordt dan: °C.

2000000

A

=

600

•

148

=

22

,5

m2.

uur.

2

Het inwendige oppe r vl ak van de pijp is

0

,0785

m./m ., zodat de

t I . 1 dt

22

,5

-

28

7

to a e p1jp engte wor :

0

,0785

-

m. =

15,9

l i t e r koelwäter/sec. of

5720

0

liter/

.

57200

pas s 1S:

8

00

=

72

pijpen.

N d

_{o 1}

·

_{9 1s}

.

2000

000

4190

x

30

Dus het aan t a l pijpen per I •

Stel de lengte van de comdensor op

1,5

m., dan wordt het totaal

aantal pijpen

~~~

=

1

91

Het aa n t a l passes word t dus:

1

~;

=

ca. 2 passes (het Re-getal zal dan iets lager zijn dan

16

000 )

.

De diameter volgt weer uit:

t

1

,4

x

32

=

45

mmo )

13,9

) D

1

m x t

13,9

x

45

625,5

mmo m ₎

2

x

16

₌

32

mmo

1

i

x steek

1

i

x

45

70

mmo

2

pas ses

2

xx

10

20

mme D

747,5

mmo of afgerond

0,75

m. I· N. Nakoeler .

Een gedeelte van het destilla at wordt teruggevoerd en een ander

gedeelte wordt als eindproduct afgevoerd (R

=

1)

.

Dit gedeelt e wordt in

o