Verslag fabricage schema aethylbenzeen

J

Verslag fabricage schema AETHYLBENZEEN J.B.N.J. Theeuwes, Koornmarkt 71, Delft. maart 1959.

W

"<

' I

·

~ '

-t:--

.

.1 :J

..

-Inhoud

Inleiding Keuze proces

voor- en nadelen

Plaats en grootte van het bedrijf Beschrijving van het proces

1. grondstoffen

2. eindproduoten en rendementen

3. chemische en fysische aspecten a. reactie vergelijkingen b. reactie tijd c. reactie warmte

4.

beschrijving apparatuur a. benzeendroger b. reactor c. katalysator scheider NaOH wasser water scheider d. benzeen en aethylbenzeen e. benzeenkolom f. aethylbenzeenkolom g. polyaethylbenzeenkolom Berekening benzeenkolom Literatuurlijst

Bijlagen tabel 1 stofbalans tabel 2 warmtebalans fig. 1 blokschema fig. 2 y - x diagram stripper pag. 1 2 2 3 3 3 4 4 4 5 6 6 6 1 9 9 9 9 10 10 10 11

14

...

-\

~

_I

X

-1-Inleiding

De bereiding van aethylbenzeen op grote schaal is tijdens de Tweede Wereldoorlog begonnen. Het ontbreken van natuurlijke rubber dwong de oorlogvoerende landen de ontwikkeling van syn-thetische rubber krachtig te bevorderen. Dank zij het resultaat van vroegere reSearch op het gebied van styreen als grondstof voor synthetische rubber, werd toen naar een meer rendabele styreenbereiding gezocht. De goedkoopste grondstof bleek aethyl-benzeen te zijn. Veel werk is verricht om de bereiding van

aethylbenzeen te verbeteren, met als resultaat dat nu op zeer grote schaal in continu bedrijf aethylbenzeen wordt gemaakt met

een rendement van meer dan

96

%.

Twee processen Voor de continue bereiding van aethylbenzeen op grote schaal worden nu toegepast. Als grondstoffen gebruikt men bij beide processen benzeen en aetheen.

1. Friedel en Crafts alkyleringsproces, waarbij gewerkt wordt in vloeibare fase met AICl als katalysator;

2. proces, uitgevoerd bij hoge3druk en temperatuur, waarbij benzeen en aetheen in gasfase geleid worden over een vast

katalysator bed. De meest gebruikte katalysator is

tegen-woordig alumini~ op een silica-gel drager. De temperatuur

is ongeveer 300 C en de druk 60 atm. C\, 6, 9/,11)

De bereiding volgens de eerste methode wordt het meest toe-gepast, en zowel in Amerika als in Duitsland werd tijdens de oorlog volgens dit procédé op grote schaal gewerkt. Processen, die uitgaan van andere alkyleringsmiddelen dan aetheen worden in de literatuur nog vermeld, maar voor continue bereiding zijn deze niet geschikt. Verder zijn veel onderzoekingen naar ge-schikte katalysatoren verricht met het doel de reactietijd te verkorten. Slechts enkele bleken praktische toepassing te

bieden. (..Ir;-8-) (1,,1~)

Dit processchema is uitgewerkt volgens het Friedel en Crafts-proces. De voor- en nadelen van dit proces t.o.v. het andere

zullen nog worden vermeld. In het kort wordt nu de ontwikkeling van dit proces beschreven.

In 1884 ontwikkelden Friedel en Crafts de bekende en naar hen genoemde condensatie reactie van aethylchloride en benzeen met A1C1

3 als katalysator.(8) De grote hoeveelheid

polyaethyl-verbindingen, die bij deze reactie ontstaan, was een groot be-zwaar voor de bereiding van aethylbenzeen. Ook het gebruik van aethylchloride was wegens de hoge bereidingskosten ongunstig. Aanvankelijk maakte men dit uit aethylalcomol, later in een hoge druk apparatuur uit aetheen en HC1. Veel onderzoekingen voor een goedkopere bereiding zijn verricht, maar de bereiding van aethylbenzeen uit benzeen en aetheen bleek spoedig economisch

meer verantwoord. Det~ laatste bereidingsmethode is in 1879 door

Balsohn onderzocht.C19 Hij gebruikte ook AICl als katalysator.

De reactietijd duurde echter enkele dagen en 3 het rendement was

---

-2-Rond 1894 begon men het reactiemechanisme van deze

alkyle-ringsreactie te bestuderen en het bleek toen, dat A1Cl~

aethyl-~roepen van de ene benzeenkern naar de andere doet ve~Uizen.

{i] ) Naastalkylering trad dus ook dealkylering op.

Rond de jaren 1923 tot 1927 werd veel academisch werk ver-richt in de John Hopkins Universiteit in Amerika voor dit proces. Men vond toen o.a. dat toevoeging van HCl aan de katalysator het

complex stabieler maakte. (~)(fJ

In de dertiger jaren werd getracht de reactietijd te ver-korten door de vorming van het katalysatorcomplex te

versnel-len ( ~

U).

In de oorlogsjaren werd het proc~s verder uitgewerkt

om tot een continue bereiding te komen (1,~3,1~. In Duitsland

is dit proces toen vooral ontwikkeld door de l.G. Farbenindustrie te Ludwigshafen; in Amerika door de Dow Chemical Company. De

Koppers Co. heeft enkele jaren geleden een grote fabriek voor de bereiding van aethylbenzeen volgens dit procédé gebouwd op haar Williams plant in Texas, terwijl op haar Kobuta plant in Panama aethylbenzeen gemaakt wordt volgens de tweede methode.

Keuze van het proces; voor- en nadelen

Bij de keuze tussen de twee reeds genoemde processen, die voor continue bereiding op grote schaal in aanmerking komen, werd het Friedel en Crafts alkyleringsprocédé genomen, omdat

hierbij het reactiemechanisme interessanter is en bovendien voor-delen biedt.

1. Naast de alkylering treedt immers ook dealkylering op, terwijl

beide reacties omkeerbaar zijn. De bruto ')reacties zijn:

'1 C6H6 + C2H4

~

3

C6H6 + C6H6" •. C2H5 + polyaethylbenzenen L 950C ~ A1Cl en C

₆

H

₆

+ polyaethylbenzenen E 0 ~ C

₆

H

₆

+ C

₆

H 5.C 2H5 + poly-95 C aethylbenzenen

Het terugvoeren van de polyaethylverbindingen vermindert dus •

de vorming van nieuwepolyproducten, terwijl de dealkylerings-reactie het proces zeer rendabel maakt. Bovendien is het moge-lijk extra polyaethylverbindingen toe te voegen.

Bij het hoge druk proces moet een aparte dealkylerings-unit worden toegevoegd om de opbrengst aan aethylbenzeen even groot

te maken.

2. Bij dit proces wordt geen sec. butyl benzeen gevormd. Bij het hoge druk proces wel. Deze verbinding wordt door A1Cl) niet gedealkyleerd.

3. Bij beide processen wordt met overmaat benzeen gewerkt, maar bij dit procédé kan de verhouding benzeenjaetheen meer ge-varieerd worden.

4. Bij dit proces is geen hoge druk installatie nodig.

Nadelen van dit proces zijn dat de reactie zeer watergevoelig is, zodat een extra voorbehandeling nodig is om de toe te

voeren hoeveelheden watervrij te maken, en dat door de HCl ont-wikkeling in de reactor het materiaal zuurbestendig moet zijn.

-

-

-3-Plaats en grootte van het bedrijf

De plaats van het bedrijf wordt bepaald door de aanwezig-heid van de grondstoffen benzeen en aetheen. In Nederland wor-den deze producten op grote schaal gemaakt door de B.P.M. op de olieraffinaderij te Pernis en door de Staatsmijnen uit de cokesovengassen. Het feit dat de bereiding van zuiver aethyl-benzeen slechts een tussenfase is in de styreenbereiding en dat dit laatste als grondstof dient voor een poly- en

copoly-merisatie industrie, die vele andere chemische producten nodig heeft, maakt de nabijheid van grote chemische industrie~n

nood-zakelijk.

-De grootte van het bedrijf is bepaald aan de hand van het productiecijfer van de Williamsplant van Koppers Co. te

Port Arthur, Texas. Gebouwd voor een jaarproductie van ongeveer 40.000 ton, produceert deze fabriek meer dan 45.000 ton per jaar.

Dit proces is uitgaande van het eerste cijfer, dat overeen-komt met een productie van

4!

ton/uur, berekend en de instal-laties bleken goed uitvoerbaar en, voorzover controleerbaar, van dezelfde orde van grootte als die op de Williamsplant. De toe-voer van de grondstoffen voor een dergelijke productie vormt voor de bovengenoemde chemische bedrijven in Nederland geen

probleem. Gezien de grote belangstelling van enige grote chemische

industrie~n hier voor de fabricage van kunstrubber, behoort een

vestiging van een dergelijke fabriek in ons land in de toekomst niet tot de onmogelijkheden.

Beschrijving van het proces 1. grondstoffen: benzeen

aetheen AICl

aeth1-lchloride

50

%

NaOH oplossing

De benzeen die normaal ~ebruikt wordt, staat bekend in de indus-trie als "styrene grade I beszeen. Dit betekent dat de benzeen 0

een kooktraject heeft van 1 C en een minimum vriespunt van 4,~5 C. Het zwavelgehal te moet " 0.10

%

zi jn. De zuiverheid van deze

benzeen is

99

%.

Benzeen, gemaakt uit kool teer en cokesovengas ,I,"-,'c(

als die uit de petroleumindustrie, kan gebruikt worden.

Aetheen heeft een zuiverheid van ongeveer

95

%.

Een lagere waarde schaadt het proces niet, mits er geen acetyleen aanwezig

is, want dit is een vergif voor de katalysator. Aetheen wordt verkregen als krakingsproduct in de petroleumindustrie en uit cokesovengas. Tijdens de oorlog bereidde men in Duitsland aetheen door hydrogeneren van uit Ca-carbide verkregen acetyleen.

Aluminiumchloride met een zuiverheid van

97,5

%

wordt als katalysator gebruikt. Het gekorrelde product werkt het beste.

, - - - -- - --- .-

-.

-

-4-.~ Aethylchloride dient voor HCl ontwikkeling. Het wordt tezamen met aetheen in de reacwY.-geHeid. HCl werkt als promotor.

50

%

NaOH oplossing wordt aan het reactiemengsel toegevoegd

~ als ~eutralisatiemiddel. Indien de concentratie tot ongeveer 30

%

is terug-ge-lopen, wordt de oplossing ververst. 2. eindproducten en rendementen

Aethylbenzeen met een zuiverheid van meer dan

99

%

wordt als eindproduct verkregen. Het residu bestaat uit teerproducten en hoogkokende pOlyaethylverbindingen. Di- en triaethylbenzeen, die voor het merendeel aanwezig zijn in de polyaethylverbin-dingen, worden teruggevoerd naar de reactor voor de alkylering.

De rendementen, die verkregen worden, zijn: benzeen ----~~ aethylbenzeen

aetheen ;. aethylbenzeen

(b,ILC )

3.

chemische en fysische aspecten a. reactievergelijkingen

96

%

97

%

Om de vorming van polyaethylbenzeen tegen te gaan wordt een overmaat benzeen in de reactor gevoerd,en het gevormde poly.aethylbenzeen teruggevoerd naar de reactor.

Indien 1 mol benzeen en 1 mol aetheen tot evenwicht

komen bij

95

0C, ontstaat er

18

%

benzeen,

51

%

aethylbenzeen en 31

%

polyaethylbenzeen.

Indien de vörhouding aetheenjbenzeen

= 0,58

ontstaat bij

95

C het volgende evenwicht:

0,58

+

0.08

polyaethylbenzenen. De volgende grafiek, die de evenwichtssamenstellingen bij verschillende aetheen - benzeen verhoudingen weergeeft, toont aan dat de verhouding

0,58

de beste werkconditie is.

r L4o -30 -10 -10 j ,I ( • o 0.1. 0.'4 0.(, - /).4' I. 0 /) h -..1: .. ,."/ . ~. st.

e

l

-5-Deze praktijkgrafiek klopt zeer goed met bovenstaande even-wichtsvergelijking.

Het AIGl) vormt in de reactor een complex, dat een bruin-gekleurde olie is met s.g.> 1. De samenstelling is on-geveer als volgt:

gebonden AIG1) vrij AIGI hoogmoleculai)re koolwaterstoffen benzeen en aethylbenzeen (T;9 H~) (E>.\'+) 26

%

1

%

25

%

48

%

Uitgaande van de mOlverhouding 0,58, van bovengenoemde rendementscijfers, van een productie van 4~ ton/uur aethyl-benzeen en van het optreden van evenwichtsinstelling, krij-gen we de volkrij-gende reactievergelijkinkrij-gen, waarbij de cijfers het aantal molen per uur aanduiden:

le reactie:

75.448 B + 4).760

AE~40.000

B + 26.)00 AEB

+l~:I~~ ~E}

PAEB .. )00 B

1

+ )0 AE~ kat.compl.+ 1.100 B residu 2e reactie:

7.748 B !

17.460 AE J PAEB + 0.000 4 B~)1.29 4 - 8 B+ 1.150 AEB 6 +12~AE )00 B } PA EB

totaal:

44.150 B + 43.760

AE~42.450

AEB

+l~gg ~E}

PAEB

+3gg

~E~~î

B

=

benzeen AB

=

aetheen

AEB = aethylbenzeen

PAEB = polyaethylbenzeen

+ 1100 B residu

In de reactor komen dus per uur: 75.448 mol benzeen;

43.760 mol aetheenj teruggevoerd polyaethylbenzeen, gevormd uit 7.748 - 300

=

7.448 mol benzeen en 17.460 - 1280

=

16.180 mol aetheen.

Uit de reactor komen per uur: )1.298 mol benzeen; 42.450 mol I

aethylbenzeenj polyaethylbenzeen, bestaande uit 7.748 mol benzeen en 17.460 mol aetheenj residu (teerproducten), ge-vormd uit 1.100 mol benzeenj verder wordt er katalysator complex afgevoerd, gevormd uit 300 mol benzeen en 30 mol aetheen.

Met deze gegevens is de gehele apparatuur berekend. b. reactietijd

o Hoewel de reactie van aetheen snel en praktisch

vol-ledig verloopt, moet de verblijf tijd in de reactor 2 à 3 uur bedragen om het evenwicht te bereiken.

-6-c. reactie warmte

De alkyleringsreactie is een exotherme reactie.

De reactie warmte is berekend uit de vormingswarmte. Bij de reactie: C6H6 + _C2H4 ~C6H5C2H5 + W is de reactie warmte=

- W

=

liW - A W - 4W

aethylbenz. benz. aetheen,

waarin ~ W = verschil in vormingswarmte van de beschouwde component met die van de standaardtoestand uit de elementen bij 1 atm en 18°c.

bij 25°C is IJ. W aetheen (g)= 12,496 kcal/mol

~ W aethylbenzeen (g)= 7.120 " i " (1)= 2,977 " L\ W benzeen (g)= 19.820"

verder: verdampingswarmte benzeen (800c)= 94.14 cal/gr.

=

7,33 kcal/mol 0.406 cal/gr 0c soortelijke warmte benzeen~20~cl=

60 C

=

90°C =

0.444 " 0.473 " Te berekepen is nu AW benzeen (1) bij 25°C.

W = ll.l~ k cal/u~r (25°C)

In de literatuur

(D)

is gegeven, dat de reactiewarmte is aan 1740 BTU/lb reagerend C₂H₄•

Dit is 1740 x 252 _{454 - 2 x 43,700 = 11.10 k cal uur.} 8 5 /

gelijk

Deze 2 waarden kloppen goed. Deze reactiewarmte wordt afge-voerd door koelwater over de buitenzijde van de reactor te laten vloeien. Hierbij moet de warmte, die nodig is om de inkomende hoeveelheden te verwarmen tot de reactor-temperatuur, in rekening gebracht worden.

4. beschrijving apparatuur

In de bijlage is een uitvouwbaar blokschema toegevoegd (t,ig. 1), zodat gemakkelijk het proces te volgen is aan de hand van dit schema. Temperaturen en drukken zijn gegeven; de cijfers in dit schema duiden op de stof- en warmtebalansen. a. benzeendroger

Vanuit een benzeentank, waarin zowel de overmaat uit de benzeenkolom als de nieuwe benzeentoevoer verzameld

wordt, wordt een hoeveelheid van 6,7 m3/uur benzeen gepompt naar een destillatiekolom, wa~~door middel van een

azeotropische destillatie een benzeen-watermengsel met 29,6 mol

%

water bij 69,30 c als topproduct de kolom ver-laat. Na condensatie wordt het mengsel ontmengd in een vat, waaruit het water wordt verwijderd en benzeen weer terug-gevoerd wordt naar de kolom. Het bodemproduct van de kolom bevat ongeveer 30 p.p.m. water.

-7-De kolom bevat 14 klokjesschotels, heeft een diameter

van ~O cm en een lengte van 8 m.

De verdamper heeft een diameter van 23 cm en bevat

85

~ " buizen van 1 m lengte. Verhit wordt met verzadigde

stoom van llOoG.

He~ bodemproduct wordt in een warmtewisselaar gekoeld

tot 40 G.

Afmetingen warmtewisselaar zijn:

diameter:

25

cm

totaal aantal ~ " buizen:

92

(4 -passes)

lengte buizen: 1,3 m.

hoeveelheid koelwater: 4,2 m?/uur. b. reactor

Vele uitvoeringen worden toegepast. Hier is de

uit-voering toegepast zoals beschreven in (~). Deze reactor

werkt met een grote katalysatorcomplex inhoud, nl.

28

%

van het reactiemengselvolume. De reactor bestaat uit 4 .

kamers over de gehele lengte. Op de tekening--1s een

dwars-doors·nede getekend. We zien rechts de grote reactiekamer

en links 3 kamers, waarvan de 2 buitenste

recirculatie-kamers zijn en de middelste eenbezinkingskamer is. Benzeen en AlGl worden van boven in de reactor gevoerd in de op de

dwarsdo~rsnede bovenste recirculatiekamer. Het mengsel

stroomt naar beneden en door een opening komt het in de reactiekamer, waarin van onderen aetheen, gemengd met aethylchloride, geleid wordt. Hierdoor ontstaat een goede menging en het gehele mengsel wordt naar boven gestuwd. Boven in de reactiekamer kan het mengsel door openingen in de 2 recirculatiekamers stromen, waarin het mengsel

naar beneden stroomt. Alleen vanuit de op de dwarsdoorsnede getekende onderste recirculatiekamer kan het mengsel aan de onderkant stromen in de bezinkingskamer, waarvan de diameter zodanig is, dat het katalysatorcomplex bezinkt, onder uit deze kamer verdwijnt en door middel van een

MOYNO pomp weer teruggepompt wordt in de andere recirculatie-kamer, waar het met de instromende benzeen gemengd wordt. Het mengsel van benzeen, aethylbenzeen en polyaethylbenzeen stroomt in de bezinkingskamer naar boven, waar het ongeveer halverwege deze kamer uit de reactor kan verdwijnen.

Uit beide recirculatiekamers kan het mengsel van onderen

weer in de reactiekamer stromen. Het aantal kamers in

de reactor kan natuurlijk nog uitgebreid worden.

Deze reactor heeft vele voordelen t.o.v. vele andere, waar in aparte ruimten benzeen en katalysator gemengd wor-den waarna dit mengsel in de reactor gealkyleerd wordt. Deze voordelen zijn:

1. Door de grote katalysator inhoud in de reactor is ge-bleken dat het verbruik aan AlGI). aanzienlijk verminderd

is. In dit patent (J.) vermelden de schrijvers,dat

het verbruik aan AlCl~ bij

28

%

kat.complex inhoud is

1 mol AlGl op ongeve~r 740 molen reagerende aetheen.

Dit komt o~ereen met een verbruik van

7,85

Kg AIG1

\'1

Î'N"l ~ ,

\

-8-In (9 ) wordt vermeld dat 1 lb. AlCl nodig is voor 100 lb.

aethylbenzeen. Dit komt overeen met eerl verbruik van 45 Kg AlCl luur.

Daa;J AlCl~ duur is, is de toepassing van een dergelijke

reactor een grote kostenbesparing.

2.Naast de goede alkylering bij een dergelijke katalysator-inhoud wordt daardoor ook de ontmenging van complex met reactie vloeistof bevorderd.

3.Beweging en circulatie in de reactor is mogelijk zonder extra roerwerk of mechanische pompen.

4.Door continu circuleren van reactiemengsel door de verschei-dene kamers in de reactor treedt een goede menging op en wordt de verblijf tijd voor evenwichtsinstelling voldoende. 5.De reactor voorziet in continue in- en uitvoer van

grond-stoffen, reactieproducten en katalysatormassa.

De reactor temperatuur wordt gehouden op 950C door

koel-water langs de buitenzijde van de reactor te laten stromen. De dampspanning van benzeen in de reactor is dan ongeveer

1000 mm Hg. De kleine overdruk van 1/3 atm wordt in de reactor gehandhaafd om te voorkomen dat lekken optreden, zodat geen water in de reactor komt.

Rekening houdende met een verblijf tijd van 2i uur wordt de grootte van de reactor: inw. diameter 1.7-0 m.

lengte 13.10 m.

De be~ngsruimte heeft e~n doorsnede van 60 x 60 cm.

Invoer (per uur): 6,7

m)

benzeen 0

1020 m aetheen (0 , 76 cm) 7,9 kg AlCl 1,3 mJ pol;iethylbenzeen Afvoer: 9,4 ~ reactiemengs~l Terugvoer kat.cQmplex: 1,9 m? Koelwater: 40 m/.

De a,bsorptie;kolom boven de reactor dient om eventueel HCl,

aetheen en benzeen uit de af te voeren gassen weer terug naar de reactor te leiden.

De kolom is gevuld met 3/4" ringen.

; Diameter is 40 cm en lengte gevulde kolom 1 mó

Boven uit de kolom ontwijkt 50

m3

gas/uur ( 0 , 76 cm)

-::--.

Het materiaal van de reactor en absorber moet zuurbesten-dig zijn. De muurtjes in de reactor zijn gemaakt van zuurbe-stendige stenen, b.v. permanite stenen. De binnenkant van de reactor is ook bedekt met deze stenen. Het is ook mogelijk de b1hnenkant te bekleden met pyroflex of permanite hars. De absorber kan aan de binnenkant ook bedekt worden met een van deze kunststoffen. De leidingen kunnen van permanite ge-maakt worden. Men ge-maakt tegenwoordig zelfs tanks en absorbers van permanite hars. Het is een furfuryl alcohol polymeer en bestendig tot 28ooF.

-9-c. katalysator scheider NaOH wasser

water scheider

Het uit de reactor stromende mengsel van benzeen,

aethylbenzeen en polyaethylben~een wordt eerst in een

warmtewisselaar gekoeld tot 40 C om betere afscheiding te krijgen van nog aanwezig katalysator complex.

Afmetingen warmtewisselaar zijn: diameter: 30 cm

aantal ~" buizen: 152 (4 passes)

lengte buizen: 1,10 m.

hoeveelheid koelwater: 8 ~/uur.

De katalysator scheider is een horizontale cylindrische tank met dwarsschotten. De katalysator slurrie bezinkt en wordt door de MOYNO pomp naar de reactor gevoerd. Het

reac-tie mengsel verdwijnt boven uit de tank naar de NaOH wasser.

Gerekend met een ~ uur verblijf tijd wordt de grootte

van de scheider: diameter 1,50 m.

lengt€ schotten 3 m.

totale lengte

4

m.

Door middel van een grote centrifugaalpomp wordt het

reactie-mengsel gemengd met een 50

%

NaOH oplossing. In de praktijk

blijkt dit een effectieve menging te geven. Deze

neutrali-satie is noodzakelijk om nQg aanwezig AIGI en HGl te

ver-wijderen. Ongeveer 1 à 2 m/ NaOH/uur wordt3gemengd met het

reactiemengsel. In de tank worden de twee vloeistoffen ge-scheiden door middel van een overloopschot.

Afmetingen: diameter: 1,50 m.

totale lengte 5 m.

Vervolgens wordt het reactiemengsel gepompt naar een water scheider om meegesleurde deeltjes te laten bezinken.

Afmetingen: diameter 1 m.

lengte 1,50 m.

d. benzeen-en aethylbenzeenstripper

Na neutralisatie wordt het reactiemengsel gevoerd in een "baffle-plate" stripper. Men gebruikt geen klokjes-kolom omdat de klokjes gemakkelijk verstopt raken door aanwezige teerproducten.

Hier heeft dus een scheiding plaats tussen benzeen, aethylbenzeen, een gedeelte van het polyaethylbenzeen, hoofdzakelijk bestaande uit diaethylbenzeen, en de rest van polyaethylbenzenen met residu.

Afmetingen kolom: lengte = 7,50 m.

diameter = 1,60 m. Afmetingen verdamper: diameter = 0.50 m

aantal ~" buizen= 442 met

lengte = 1,55 m. 0

-10-e. benzeenkolom

Het benzeen en aethylbenzeen mengsel wordt in dampvorm gevoerd in de benzeenkolom. Als topproduct verkrijgen we de overmaat benzeen, die naar de benzeenvoedingstank ge-voerd wordt. Het bodemproduct, aethylbenzeen en diaethyl-benzeen, gaat naar de aethylbenzeenkolom.

Afmetingen kolom: diameter

=

1,60 m. lengte

=

8 m.

De kolom bevat 20 klokjesschotels. Terugvloeiverhouding is 3. Afmetingen condensor: diameter 0,415 m

aantal i" buizen 296 (2 passes) met lengte van 1,80 m.

Afmetingen verdamper: diameter 0,30 m aantal ~"buizen 158 met

lengte 1 22 m. Verhit wordt met verzadigde stoom van 1706

c.

f. aethylbenzeenkolom

Hier wordt als topproduct aethylbenzeen verkregen met meer dan 99

%

zuiverheid.

Het bodemproduct wordt gekoeld tot400C in warmtewisselaar. Afmetingen: diameter 0,30 m.

aantal ~"buizen 6 met lengte 1 m.

Het bodemproduct wordt vervolgens naar een verzamelvat ge-voerd, waar het tezamen met het topproduct van de poly-aethylbenzeenkolom naar de reactor gepompt wordt.

De kolom bevat 40 klokjesschotels. Terugvloeiverhouding is 3. Afmetingen kolom: diameter 2,30 m.

lengte 12 m.

afmetingen condensor: diameter

=

0.40 m

aantal . i"buizen: 232 met lengte

=

1,65 m.

afmetingen verdamper: diameter

=

0.60 m

aantal ~It buizen: 645 met lengte

=

_{1,55 m. O}

Verhit wordt met verzadigde stoom van 210 C. g. polyaethylbenzeen kolom

De voeding van deze kolom bestaat uit het ketelproduct van de benzeen- en aethylbenzeen stripper. Gewerkt wordt onder een druk van 50 mmo Hg, welke druk door middel van 2 stoomejecteurs verkregen wordt. Het topproduct, dat hoofd-zakelijk bestaat uit di- en triaethylbenzeen, wordt

ge-koeld en gevoerd naar het bovengenoemde verzamelvat.

Het bodemproduct bevat teerproducten en hoog kokende' aethyl-benzenen,en wordt als residu afgevoerd.

Geen klokjes schotels kunnen worden gebruikt vanwege het ~evaar voor verstoppingen. Gebruikt worden weer de

-11-Afmetingen afmetingen afmetingen kolom: diameter

=

1,55 m lengte

=

5 m. condensor: diameter aantal ~" lengte verdamper: diameter aantal

-!"

lengte = 0.125 m buizen: 16 met

=

0,85 m

=

0.125 m buizen: 16 met

=

0,92 m

Berekening van benzeenkolom

De voeding van deze kolom bestaat uit benzeen, aethylbenzeen en t.o.v. deze twee zeer weinig pOlyaethylbenzeen. De mol

ver-houding is 31,3 : 42,5 : 3. Bij de berekening is het daarom

geoor-loofd uit te gaan van benzeen en aethylbenzeen, omdat de schei-ding tussen deze twee producten uitgevoerd moet worden.

Het bepalen van het aantal theoretische schotels wordt uit-gevoerd volgens de methode van Sorel met de grafische berekening van McCabe en Thiele.

In een y - x figuur, waarin y de dampsamenstelling en x de

vloei-stofsamenstelling aangeven, wordt de evenwichtslijn getekend.' Deze

evenwichtslijn moet berekend worden. Dit is mogelijk uit de

rela-tieve vluchtigheid. ~ B AE ~ ~ xAE (B

=

benzeen

. • - yAE • xB AE= aethylbenzeen)

Indien we aannemen dat de wet van Raoult hier geldt, dan wordt

o<.B.AE ~ PB PAE

Deze aanname is re~el, omdat we te maken hebben met 2 homologe,

aromatische koolwaterstgffen.

De toptemperatHur is 80 C en de bodemtemperatuur is l40oC.

,,( 1000C

=

4,68

~ 120₀ C

=

4, 50

~140

c

=

4,40

Bij aanname van ~ =

4,6

hebben we een goede benadering.

0<. x

Uit de vergelijking y I-x +()(x ' die verkregen wordt bij

uit-werken van bovenstaande betrekking tussen ~ , y en x bij een 2

componentensysteem, zijn de evenwichtssamenstellingen tussen vloeistof en damp te berekenen.

In bijlage fig. 2 is de zo gevonden evenwichtslijn getekend.

x= 0,1 ~ Y = 0,34 x= 0,2 y

=

0,53

x= 0,3

y

=

0,66

x= 0,4 y

=

0,74 x= 0,5 y

=

0,80

x=

0,6 y = 0,87 x= 0,7 y

=

0,91 x= 0,8 y = 0,95 x= 0,9 y

=

0,97

'.

.

\l.-, <

.-

-12-Naast de 45°1ijn moet de z.g. q-lijn, de meetkundige plaats van de snijpunten van de 2 werklijnen, getekend worden.

x f , de samenstelling van de voedingsschotel, ia bekend.

~ = 31,3 = 0.425

31,3 + 42;5

Verder is: F.wf = 990. 103

3 k cal/uur (uit warmtebalans)

F(W-~ = 596.10 kcal/uur "

F(W-wi}= -46.103 k cal/uur; dit is de

wa~te

die ngdig

is om de benzeendamp te verhitten van 80 C tot 135

c.

F (w - lAlt. ) - 46

Hieruit is q te berekenen: q = F(W _ 10,) = 596 = - 0,077

De vergelijking van de z.g. q-lijn is:

y == ~ _q-l x - ~ _q-l Xr. Voor x = Xr. is Y = L.

-T - T - - r

en de helling van deze lijn is q~l == 0, 0715

0.99 en

XX

== 0.01, dan zijn bij

de werklijnen te tekenen • .

bepaalde

terug-Stellen we x_D =

vlo€·i verhoud ing

R = 3. ') Het stuk

wordt, is

xl'

dat door de eerste werklijn van de y-as afgesneden

R+l == 0,25.

.

°

Vanuit x = 0.99 op de 45 lijnen trekken we nu de eerste werklijn

naar y = 0,25. Waar deze lijn de q-lijn snijdt, begint de tweede

werklijn, die eindigt op de 4501ijn bij x = 0,01.

De trapsgewijze constructie tussen werklijnen en evenwichtslijn

\ is nu uit te voeren en hieruit blijkt dat 11 theoretische

con-\11.." tactplaatsen nodig zijn. Nemen we een schotelrendement aan van

f

A

55 %~ een veel voorkomende waarde, dan bedraagt het aantal

prak-ti~che schotels 20. Deze waarde komt goed overeen met de in de

~ 1. I prakti jk gebruikte kolom.

Ol; . ") De lengte van de kolom wordt bepaald door de schotelafstand • Bij het vastleggen van deze afstand moeten we rekening houden met de gassnelheid, die weer afhankelijk is van de torendiameter.

De volgens Sonders en Brown afgeleide betrekking voor toe-laatbare dampsnelheid in de lege toren is

""a

= cc

I/lr~

h

_{, waarin C o.a. afhankelijk is van}

de schotelafstand en druppel~rootte. Bij bepaalde schotelafstand

is de waarde van C (in m/sec) experimenteel bepaald. Zo is bij

schotelafstand van 0.40 m de waarde van C gelijk aan 0.045 m/sec.

fL.

=

880 Kg/m37j

'f3

= 3,15 kg/~

Duá~~ == 0, 75 m/sec.

Dit is dus de maximum gassnelheid, waarbij juist geen meesleuring optreedt. Met deze waarde is de minimum diameter te berekenen.

D

=

'!!ii-; ,

waarin

~11'

=

volumestroom in m3/sec.

f>v. =

2, 7 m / sec.; dus D

=

l, 60 m.;

&...=

0, 40 x 20 ==.!L.!!!..

\\\ \~ .. \\,li { _{, .}

(I

. .., { \ -\ ( j ,. ,\' I .. N ',. \ r. . ' \ \..~.. ~ ~. I 1 ~ I · /' . /

-13-De door de condensor af te voeren warmte Q = G (W -~)~ waarin G de uit de kolom opstijgende damp is. (W -~) is de molaire condensatie warmte.

Bij R = 3~ wordt G

=

4.D~ waarin D het topproduct is. D = 31~3 k mOl/uuJi; (W - w) = 94~14 cal/gram benzeen; dus Q = 91~7 • 10 kcal/uur.

De grootte van de condensor wordt dus~d~en we U = 700 uur stellen en koelwater invoeren bij 15 C en afvoeren zodat ÄT

=

llT_{i -} ~Tu

LiT_i

"'-~

_u

Opp. A is te berekenen u~t: Q

=

A.U.ÀT. A = 26 ~ 2 m2 = 282 f t . 4

/ 20

kcal m. C.

bij 40oC,

Hoeveelheid koelwater:

912~·10

=

3~68.104

kg/uur.

Nemen we ~"4buizen met capaciteit van 250 l/buis/uur~ dan hebben we

3~~~ÖlO

= 148 buizen nodig. Bij 2 passes hebben we dus 296 buizen in de condensor. Het oppervlak van ," buis=

0~163

ft2/ft De lengte van de buizen wordt dus

282

296 x. 0 ~ 163 = 5,9 ft = 180 cm.

De diameter bij 296 buizen is 16,5 " = 41,5 cm.

lengte

Ui t de warmtebalans over de e;ehele kolom volgt d.@,t de door de verdamper toe te voeren warmte (Q) bedraag~: 278,5.1().Ji kcal/uur. Bij verhiSten met verzadigde stoom vanol70 C (7.8 ata) is

ÖT

=

30

c.

U = 1000 k cal/uur.m2 • C.

Verwarmend oppervlàk = A =

U~

A

T

=9,26 m2 = 100 ft2

Nemen we de len~te van de buizen 4 t~ dan is het verwarmende oppervlak per~' buis 4 x 0,163 = 0~652 ft'.

Het totaal aantal buizen bedraagt dan

. 100

0,652

=

158 buizen. De diameter van de verdamper bij dit aantal is ll~5" = 0,30 m.

De hoeveelheid stoom bedraagt 278,5 3 / 490 • 10

=

570 kg uur.

In de bijlage worden in tabelvorm de stof- en warmtebalans gegeven (tabellen 2).

-14-Literatuur lijst

1. Amos J.L., Dreisbach R.R., Wi11iams J.L. U.S. Patent 2, 198, 595 (1940). 2. Amos J.L., Schweg1er C.C., Bezenak W.H.

U.S. Patent 2, 443, 758 (1948). 3. Amos J.L., Wi11iams J.L., Winnicki H.S.

U.S. Patent 2, 222, 012 (1940). 4. Balsohn M.:Bull.Chim.(2) ~, (1879) 539. 5. Berry T.M., Reid E.E.: J.Am. Chem. Soc.

i2

(1927) 3141. 6. Boundy R.H., Boyer R.F.

Styrene, its polymers and and derivates (1952) 30. 7. Francis A.W., Reid E.E.

Ind. Eng. Chem.

L§

(1946) 8. Friedel C., Crafts J.M.

Am. Chem. 6 (1884) 449. 9.Garner F.R., Iverson R.L.

copolymers

1194.

Oil Gas J. ~, No. 25, (1952) 86. 10. Kutz W.M., Corron B.B.,

Ind. Eng. Chem. ~ (1946) 761. 11. Natelson S.

Ind. Eng. Chem. ~ (1933) 12. Pardee W.A.; Dodge B.F.

Ind. Eng. Chem. ~ (1943) 13. Radziewanoski C. Ber. 27 (1894) 3235. 14. Whitby G.S. 1391. 273· Synthetic Rubber (1954) 146. ~

V

- - - - -- - -

-Bijlage tabel 1

Stofbalans

Alle waarden zijn gegeven in g.molen per uur. Indien andere eenheden wor-den gebruikt,staan ze vermeld.De nummering komt overeen met die op blok-schema.

benzeen aetheen aethyl-_benzeen polyaethyl-AlCl _{benzeen 3 chloride water niging} aethyl-

verontrei-1 _{" ..} 75448 154 la 44152 2 3 75448 4 5 61 ) _{300 30} 7 8 9 10 11 12 31298 31298 31298 13 31298 43760 42450 42450 42450 14 42450 15 42450 16 17

18~)

1100(teer)-19 84 154 7448 59 59 61 5.1041(OC.76 5 .1041

cm~

7748 7748 70 3000 70 4748 70 3000 3000 4448 300 7448

1) De molen vormen het katalysator complex, dat bestaat uit ben-zeen, aethylbenben-zeen, en hoogmoleculaire koolwaterstoffen. 2) Deze 1100 molen benzeen vormen teerproducten, die als residu

verwijderd worden.

De 300 molen polyaethylverbinding zijn gevormd uit 300 molen benzeen en 1341 molen aetheen.

tabel 2 Warmtebalans

Alle waarden zijn gegeven in 10. 3 k ca~ per uur en de waarden

bij de cijfers zijn berekend t.o.v. 20

c.

benzeendroger reactor stripper benzeenkolom aethylbenzeen-kolom polyaethy1ben-zeenkolom •

{~b

~

c 3 4 7 9 d d' e

i

lO 11 12 f

i

11 13 14 g h [ 14 15 16 i j [ 12 17 18 k 1 m n 19 in uit 96 51 8,9 0,0 1100(reactie 33 990 956 279 253 1466 67 23 0,16 156,0 4,5 105

-260

w)-900 193 956 67 65 253 917 228 30 1460 36 9 46 25 30 9 (door koelwater)

vervolg tabel 2 - warmtebalans

De warmtebalans over de gehele unit wordt:

in uit 1 65 2 0,,16 a 4,,5 b 96 c 105 d-d' 200 e 193 wasser + scheiders 44 f 990 g 917 h 279 13 65 i 1460 j 1466 15 228 k 46 1 23 18 9 m 25 n 30 totaal 3142 3103,66

Het verschil is te verklaren doordat de warmte-afvoer door ont-gassing uit de reactor en door afvoer van kat.complex niet in rekening is gebracht.

• [_ 1_

~

r

!

--

--.

-: L "enz •• " Q.e~It,' lIe",,,.." stti.fP"

I

---- -- ---

----

~

llf,t"r

ti,,, U&If Ie" t.'Wt. J

,He

l

""af:Ir,lbcnr e .", ".,t.,~ '10·' : ;t---~.,

-

E- --I IQ i "'" - -1---'

;.;---·

·

·

·

·

_·

·

·

_·

·

_·

·

·

·

_·

_·

·

·

_·

·

·

·

·

_·

·

·

_·

·

·

·

·

·

_·

_·

·

·

·

·

_·

·

·

_·

, ,

·

·

·

·

·

_·

,

·

·

·

·

·

·

·

·

·

_·

·

·

·

_·

·

,

·

_·

·

, ,

·

·

·

·

·

·

·

·

_·

·

·

_·

·

·

·

_·

·

·

_·

·

·

·

·

·

·

_·

_·

·

·

_·

·

·

_·

_·

·

_·

_·

·

_·

·

t

---~_.~--hoor -C" ~ +t' I. :ti: f+ '+'---I-'-~ ..,..-: ij fLI' fT-, 1-'-<1 +++ -" IH +--t :1-+ oor;-': te I-'-i+ I:C:-++'7 t+-1-'" Cl ... :t' I~-"-!-+I --' t,..; 11m- :t-:~t-::l:i :::'t li':":: iilf""ffi+ 1-'H ~ -+ Iti=t 1:;1 -~I-' h--:+t r~I++I--'-- ti-~t:l±:j::=: -"--... ' I er 1----1-::1 +;: [triLt:, ft:j: :p:::. fj:rt± :;c 1-'-: CH-r -:-: +1;:: :;::;=:tf~j:lJt::±t r.qi±tfj: tq~=':"p~:::;::t::~:,..::: 2 t--- C"-rt-:-t ,+, It' Irt rttt 'i '-:-'-' I~- 'r:C"I-:-'-'::1 Ir 11: t!:'~ ---, fTj----+-r frlt :;:n:" I t:-t+ -+t It+--u --: :-+-1::-:" ., -+rt I:-:+t ~' t-tt I-ti Tei II -d-h+-! -;~ tttt H=i 1-I-~-' H+t I H+t --tt~-'+ t-:---;-1= ::: 1-:~'iC-r :r:tl-li-:-i"tl li i==:t:..i l 1$ ,je : -: I..,...,.. ::- c:- 't-~ 1-'--1-'-: Ittt ti' C!iC:' I~ =l#

ra

1::---.,..,-t +=+11 ['-: ~-- 1--- ,,--!-'r-:-: IT'-!-::j::::: ',t 1:---: ;=:::::-:-:r~ I ';---,...,,·c: :-~--::-:-:: I rt;:t;-: f!ij :;-tHtill ' -rl ,,-h f:I :;-;;-$: ,.; ---oor -i-'C" ;H:IFr::J :l::-~::: 1:::=:::= ~:.::;: