De butanolwinning uit tarwezetmeelafvalwater

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Nr:

2679

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

E.A. Kishoni

& E.D.L. Oehlers

onderwerp:

De butanolwinning uit

tarwezetmeel-afvalwater

adres:

Dennekruid 200 , Rotterdam

R.Holstlaan 548 , Delft

opdrachtdatum

:

30.05.86

verslagdatum:

02.09.86

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

•

I

I

e

!

.

•

•

•

•

•

•

•

" i Se.nenvatting.

In dit verslag wordt een fabrieksvoorontwerp besproken van een proces dat tarwezetmeelafval fermenteert tot butanol.

Een tarwezetmeelafvalstroom van 20 m3

/h,zoals geproduceerd door Latenstein B.V. te Nijmegen,bevattende pentosanen,zetmeel en eiwitten,wordt nadat de eiwitten m.b.v.coagulatie verwijderd zijn ingedikt van 45 kg/m3

tot 275 kg/m3

droge stof.De stroom wordt gefermenteerd m.b.v. in alginaat-bollen geïmmobiliseerde bakterieën Clostridium species.Dit gebeurt in een gefluïdiseerde bedreactor met recirculatie.De produkten hiervan zijn butanol,isopropanol,ethanol,waterstof en kooldioxide.De butanol wordt hieruit opgewerkt door een combinatie van pervaporatie en normale destillatie.

Naast de produktstroom,butanol,verlaten vier andere stromen het proces

,,

'

'

r

~~, een eiwitstroom,een gasstroom bevattende H

2 en CO2,een topfractie ,,-,

,

....

,

J~':>'I . ~~.risopropanol en ethanol en een residustroom. ~ .. ,..r'

..r

,/

;"

"" v-r'. , / ' De butanolstroom is van een zuiverheid van 99,5 % • .j .

" J..J

ÇJ' Het rendement van het proces is 91 %.

Het proces in zijn geheel kan niet economisch rendabel genoemd worden. De berekende Return on lnvestments (ROl) is -270

%.

Dit voorontwerp is gemaakt in opdracht van prof.ir.A.G.Montfoort en prof.ir.K.Ch.A.M.Luyben in het kader van de studie tot scheikundig ingenieur aan de Technische Hogeschool te Delft.

Met dank aan drs. v.d.Have van Wessanen Nederland B.V.

E.D.L.Oehlers R.Holstlaan 548 2624 GW Delft tel.015-560456 E.A.Kishoni Dennekruid 200 3068 SM Rotterdam

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

v· -i -i Konklusies en aanbevelingen.

Het rendement van het proces kan als hoog beschouwd worden.

Van de tarwezetmeelafvalstroom wordt 91% omgezet en 99,5 % opgewerkt.

De zu~verheid van de butanol is 99,5

%.

Het proces kan niet als economisch rendabel beschouwd worden. Een ROI van -270

%

is bepaald.De grootste verliesposten zijn de indampkosten van de voeding en de arbeidskosten.

Bij een grotere capaciteit kan dit proces wel economisch rendabeL worden.

Met de huidige ontwikkelingen in de membraantechnologie moet het

~~n~ 1 spoedig mogelijk zijn destillatiekolom Tl in de opwerkingssectie

~~

.

~~

te vervangen door een membraan.

~J 7

Gezien de moeilijke scheiding van isopropanol en ethanol kan beter

/ gekozen worden voor een micro-organisme als biokatalysator die in plaats van isopropanol aceton maakt.

De eiwitverwijdering kan indien de "know how" beschikbaar is,geschieden met een ionenwisselingskolom.De eiwitten die zo opgewerkt worden zijn van hogere waarde dan de gedenatureerde eiwitten die opgewerkt worden m.b.v. coagulatie.

-•

•

-l

-I

•

-•

•

iE Inhoudsopgave. 1.Inleiding

2.Uitgangspunten voor het ontwerp

2.1.Dé capaciteit en specificatie grondstoffen 2.2.Afvalstromen 2.3.Utilities 2.4.Fysische constanten 2.5.Veiligheid 2.6.Corrosie 3.Procesbeschrijving 3.1.De voeding 3.2.De fermentatie 3.3.De opwerkingssectie 3.4.0pstarten 3.5.De procesregeling 4.Procescondities 4.1.De biokatalysator 4.2.De kinetiek

4.3.De hydrolyse en coagulatie 5.Apparatuur

5.1.De gefluïdiseerde bedreactor 5.2.De membranen

5.3.De destillatiekolommen 5.4.De indampers

6.Massa- en warmtebalans

7.0verzicht specificatie apparatuur 8.Kosten

8.1.De investeringen

8.2.De produktie- en arbeidskosten 9.Symbolenlijst 10.Literatuurlijst Bijlage I I l III IV V VI VII VIII IX bladzijde 1 2 2 2 3 4 4 5 5 6 6 7 8 8 9 10 11 11 12 13 23 33 34 35 37 38 40 46 49 52 53 57 61 62

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-1-1. lnleiding-.

De reden voor dit onderzoek is het verwerken van de afvalstroom van

een tarwezetmeelfabriek.ln de tarwezetmeelfabriek Latenstein Zetmeel B.V. in Nijmegen ontstaat bij de bereiding van zetmeel een afvalstroom die rijk is aan allerlei koolhydraten,gommen,eiwitten,vetten,ruwvezels,etc. Door het toegepaste "BERE"-proces is de benodigde hoeveelheid proceswater gering.Hierdoor is ook de afvalstroom relatief klein (20 m3_{/h) ,echter}

met een tamelijk hoog drogestofgehalte (40-50 kg/m3

) en een hoge

zuurstof-behoefte.Het COD-gehalte (COD=Chemical Oxygen Demand) varieert tussen de 45 en 60 kg O

2 per m

3

.Het afvalwater wordt echter niet gezuiverd maar verder ingedampt tot een drogestofgehalte van 100-120 kg/m3 _,vervolgens

gemengd met een uit het "BERE"-proces vrijkomende "kiebel"-stroom (0,5-1 mo/h met een drogestofgehalte van 300 kg/m3

),en tenslotte verkocht aan boeren in de omgeving als basis (slobber) voor veevoeding vanwege de niet geringe voederwaarde van het indampconcentrai:t.

~~~~~

Voor dit onderzoek wordt uitgegaan van de oorspronkeli ke afvalstroom

(20 m3

/h) die met behulp van de bakterie Clostridium gefermenteerd wordt tot een mengsel van voornamelijk butanol en verder nog wat isopropanol en ethanol (lBE-mengsel).

Dit rEE-mengsel kan gebruikt worden als octaangetalverhogende additief voor benzine of als alternatieve brandstofmid.qel i.p.v. benzine.

1 Gekozen werd om de butanol op te werken uit dit mengsel,gezien de hogere / ~ . waarde van de butanol.

, . ,of"" ... ~"'I~

(,: ) , ~.~J ('''''Tegenwoordig

Vo'

wordt butanol vooral bereid uit ethyleen en triëthylaluminium

--.

----

--en toegepa~t in de bereiding van but ylacetaat , lakken , rayon , de tergen l a,

I

remvloeistoffen, en am~ines als additieven voor benzine.Het wordt ook gebruikt als oplosmiddel voor vetten,was,hars,schellak,vernis,etc.

De totale wereldproduktie'\butanol bedraagt ongeveer 540.000 ton per jaar (1976).

I

_,

~

.

•

•

I

i

•

•

•

•

•

-2-2.Uitgangspunten voor het ontwerp.

2.1.De capaciteit en specificatie grondstoffen.

Bij het ontwerp is uitgegaan van een te verwerken capaciteit van

20 m3 /h afvalwater.Dit is jaarlijks 1,5.105 ton/jaar.

Het droge stof gehalte hiervan is 45 kg/m3 .Zie voor de samenstelling

hiervan tabel l.Het aantal bedrijfsuren is 7200 h. /

7~.:-lvl.'"

De capaciteit van de fabriek voor butanol is 879 ton/jaar.

Hiernaast \lOrdt er 583 ton/jaar isoprope.nol en ethanol geproduceerd.

tabel 1.De samenstelling van de zetmeelafvalstroom.

component gehaltes

(%

droge stof) (kg/m3 )

zetmeel 16,0 7,20

overige koolhydraten 51,7 23,26

ruw eiwit 19,2 8,64

ruw celstof 0,8 0,36

ruw vet 5,6 2,52

as 6,7 3,02

totaal 100,0 45,00

Aangenomen wordt dat de overige koolhydraten volledig bestaan uit pentosanen.Bij de procesvoering is verder geen rekening gehouden met

ruw celstof,ruw vet en as.

De temperatuur van de zetmeelafvalstroom is 30°C bij normale druk. Als hulpstoffen zijn nodig:

2 .2.Afvalstromen.

~6

bu€anol glucose+xylose 2.3. Utili ties. 48 39 21 61 ton/jaar

"

"

"

70 2457 2,6 397 ton/jaar

"

"

"

Bij de procesvoering zijn de gewoonlijke utilities nodig:

Koelwater-nodig voor condensE'.tie van dampen en a.f~oelen van vloeistoffen.

stoom -nodig voor het verdampen en opwarmen van vloeistoffen.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2.4.Fysische constanten. tabel 2.Dichtheid. butanol isopropanol ethanol water alginaatbollen -3-0,814.103 kg/m3 0,785.103

_"

0,789.103

_"

1,000.103

"

1,083.103

_"

30,46 43,29 74,81 275

kg/m3 glucose +xylose in water 1,0118.103

_"

"

"

"

"

"

"

+ + +

"

"

"

"

"

"

tabel 3.r1olecuulmassa. butanol 74,12 g isopropanol 60,08 g ethanol 46,07 g water

_,

18,0 g glucose 180,0 g xylose 150,0 g tabel 4.

component kritische temp.T

(K) butanol 560,15 isopropanol 508,15 ethanol 516,25

"

1,0169.103

_"

"

1,0291.103

"

"

1,1036.103

_"

kritische druk p kookpunt

c (atm) c (K) 48,4 390,35 53,0 355,55 63,1 351,65 t a e b 1 5 .Vormingsenthalpie en verdampingswarmte. component vormiggsenthalpie (10 J /kg) butanol -4,4939 isopropanol -5,1757 ethanol -6,0258 water -15,8799 glucose -6,9882 xylose -7,0393 kooldioxide -8,9350 Viscosi tei t. ~ -3 n _{(wa er} t =0,797.10 Pa.s (1) (1) (1) (1) (s) (s) (g) verda~pingswarmte (10 J/kg) 591 688 855 2260

-• Voor een oplossing van zetmeel en pentosanen in water:

•

•

ln(~/0,1)=0,lC(0,71382-3,28933.10-3T)-3,82222.10-3T-0,94624

met C=concentratie zetmeel+pentosanen,T=temperatuur (OC) en

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-4-tabel 6;warmtecapaciteit. -4 2 CO 2 c =0,98324+2,6055.10 _{p -3} T-18590,3/T H 2 c =13,8490+1,6945.10 _{p -3} T glucose,xylose c =1,2552.10 p

Met c =A+B*T+C*T2+D*T3 geldt voor A,B,C en D: p component A B butanol -3174,4 54,2665 isopropanol -4995,7 35,1163 ethanol -1464,0 39,9949 water 2820,4 11,8198 Diversen. Axiale dispersiecoëfficiënt: -3 2 D =1;0.10 m Is ax

)

Diameter alginaatbollen: -3 d =1,94.10 m p 2.5. Veiligheid. 103*C -192,9661 - 32,6857 -158,4062 - 35,0243

"

"

106*D 245,1406 0 228,4046 35,9866

Van de belangrijkste stoffen zijn in tabel 6 enige parameters gegeven. tabel 7.MAC-waarde,vlampunt,zelfontbrandingstemperatuur en

explosie-grenzen, volume % in lucht.

/component MAC vlampunt zelfontbr.temp. expl.grens

(ppm) (OC) (oC) (vo.l-.%)

jbutanol 50 29 340 1,4-11,3

isopropanol 400 11 400 2 -12

ethanol 1000 12 370 3,4-19

We hebben te maken met brandgevaarlijke stoffen.Butanol blijkt explosiegevaar boven 29°C op te leveren.De dampen zijn met lucht explosief.Als voorzorg bij vullen,aftappen

OL

verwerken geen

perslucht gebruiken.Butanol tast vele kunststoffen aan.Bij materiaal-keuze hiermee dus rekening houden.

2.6.Corrosie.

Butanol,isopropanol en ethanol zullen wat corrosie betreft geen problemen opleveren.De zetmeel en pentosanen kunnen in de indampers aankoeken.Deze zullen dus regelmatig schoongemaakt dienen te worden.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-5-3.Procesbeschrijving.

Zie ter illustratie het proces flow diagram in bijlage I.

3.1.De voeding.

De afvalstroom (~31) wordt in H

11 opgewarmd van 30°C tot 85°C ter coagulatie van de aanwezige eiwitten.De gecoaguleerde eiwitten worden in centrifuge Cl gescheiden.

De gereinigde stroom met alleen zetmeel en pentosanen wordt in de verdampers H12,H13en H14 ingedikt tot een uiteindelijke concentratie

van 275 kg/ml en een volumestroom ~38=2,2153 ml/h met temperatuur T=136,5°C. Hiertoe wordt de voeding eerst aaar H13 gevoerd dat m.b.v. stoom uit H12

(~35:T=136,5°C,p=3,39 bar) ingedampt_wordt.De stroom uit H13 (~39:T=130,1°C,

p=2,62 bar) wordt naar H14 gevoerd en daar verder ingedampt met stoom uit H13 (~36:T=130,1°C,p=2,62 bar).De stroom uit H14 (~40:T=120,00C,

p=2,06 bar) wordt naar H12 gevoerd en daar voor het laatst ingedampt met stoom (T=179,8°C,p=10,0 bar).

De zetmeel en pentosanen worden nu met zoutzuur (pH=1,5) gehydrolyseerd tot respectievelijk glucose en xylose in reactor R2 bij een temperatuur T=136,5°C.Hierna wordt de voeding afgekoeld in H15 tot 37°C.

3.2.De fermentatie.

De stroom

~2,met

een verdunningssnelheid D=0,3 h-1,(T=37°C,p=1,66 bar) door reactor Rl wordt verkregen uit mengtank Vl.Aan V1 worden toegevoerd de recirculatiestroom ~~1iT=370C) en de ingedampte en gehydrolyseerde voeding ~1 (t=37°C).Verder worden toegevoerd (NH4)2S04 (0,30% w/v), CaC1

2 (0,25% w/v) en Na2C03 (pH=4,5).

FluIdisatie van de reactor wordt bereikt door recirculatie via de opwerkingssectie.

H

2 en CO2 worden boven de reactor gespuid (~24)'

De reactor wordt gekoeld door het leiden van koelwater door de dubbele wand van de reactor.

•

'

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I I

I

.

I -6-3.3.De opwerkingssectie.

De IBE-produkten uit R2 worden in twee stappen opgewerkt:

Ten eerste door continue pervaporatie van de fermentatiestroom (~3) door membraan Ml in de recirculatielus van reactor Rl.De temperatuur van

~3 wordt verhoogd tot 88°C ter verhoging van de flux door Ml.Het

pervaporaat wordt verwijderd door vacuum en condensatie met koelwater. Ten tweede door destillatie van het effluent ~14 in destillatiekolom Tl

(zesde schotel).De pervaporaat en destillaat (~9 resp. ~ll) worden

naar decanter V2 geleid waar ontmenging optreedt tussen water en butanol. De waterrijke fase ~15 wordt teruggevoerd naar Tl als reflux.

De butanolrijke fase wordt verder ontwaterd door membraan M2. Het pervaporaat ~18 dat nog IBE bevat wordt naar Tl teruggevàerd

(tweede schotel).

De verkregen IBE-mengsel ~22 wordt tot 98,15°C opgewarmd en gevoerd naar kolom T2 (18-de schotel). De dampstroom vanaf de bovenste schotel wordt gekoeld in condensor H10,opgevangen in condensorvat V3 en vervolgens gesplitst in een refluxstroom en een afvoerstroom bevattende

iso-propanol en ethanol.De vloeistofstroom vanaf de onderste schotel wordt gesplitst in een teruggaande die in reboiler H9 wordt verdampt en een tweede stroom die het produkt butanol voorstelt.

3.4.0pstarten.

Het biokatalysatormateriaal kan drie maanden gebruikt worden zonder enig verlies van activiteit [/ J.Dit betekent vier maal per jaar

vernieuwen;Verse alginaatbollen met de Clostridia in sporevorm (elders

aangeschaft) worden in de reactor gebracht met een 50% ethanol/water mengsel,dat de reactor chemisch steriliseert.

Gedurende deze opstartfase ontkiemen de sporen en begint een nieuwe continu produktieperiode.Een lage verdunningssnelheid (D<O,l h-l )

moet tijdens de opstartfase toegepast worden voor een goede ontwikkeling

I

•

•

•

•

i

I

I

•

•

•

•

I

.

-7-3.5.De procesregeling.

De regeling van het proces is in het processchema (zie bijlage I) weergegeven .

Belangrijk is hierbij de regeling van de reactorcondities.Vandaar de veelvoudige temperatuurregeling van Rl en de pH-regeling (X) m.b.v. Na

2C03.Voor de reactor is verder de flowcontrol van de recirculatiestroom belangrijk .

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-8-4.Procescondities. 4.1.De biokatalysator.

De bakteriestam Clostridium blijkt in staat verschillende substraten om te zetten in butanol,isopropanol (of aceton),fermentatiegas{H

2,C02) en verder nogwat ethanol.Voor de kinetiekgegevens werd uitgegaan van de stam Clostridium species.

Uit de literatuur (21) is naar voren gekomen dat de geïmmobiliseerde

-1

Clostridia optimaal gedijen bij een verdunningssnelheid D=0,3 h , temperatuur T=37°C en pH=4,5.

Als stikstofbron voor de Clostridia moet het medium gesupplementeerd worden met 0,30% (w/v) (NH4)2S04.

Om de alginaatbollen te onderhouden moet 0,25% (w/v) CaCl

2 toegevoegd worden.

Om de pH te regelen wordt Na

2C03 gebruikt.

C10stridia kunnen in geïmmobiliseerde toestand beschouwd worden als een zeer stabiele biokatalysator.Continu experimenten van 1000-1800 uur zijn vermeld (21).Experimenten tonen aan dat de obligaat anaerobe Clostridia niet extreem zuurstofgevoelig zijn indien geïmmobiliseerd. Hiertoe werd de reactor aan zuurstofpulsen blootgesteld wat een

concentratie van 3 ppm 02 in het effluent tot gevolg had.Hoewel de fermentatie ophield,kon deze weer normaal hervat worden toen de

°

-2

concentratie beneden de 1 ppm daalde. (21)

De calciumalginaatbollen worden gefabriceerd m.b.v. een vibrating nozzle zoals vermeld in de literatuur (21).

4.2.De kinetiek.

Uit de literatuur [21] blijkt dat voor de substraatconsumptiesnelheid gebruikt kan worden:

r =D{c O-c )=E{l-E l )r (l-cb/cb ) s s , s max , max met: c =substraatconcentratie (glucose+xylose) s

cb=Y b{c O-c )=butanolconcentratie (met Y =yield butanol op substraat)

s s , s sb

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-9-Voor de effectiviteit,de verhouding tussen de feitelijke omzettings-snelheid en de omzettingsomzettings-snelheid die plaats zou vinden indien er geen diffusielimitatie in het dragermateriaal (alginaat) zou plaatsvinden, volgt E=l [21].

Zie bijlage 11.5 voor de parameters en berekeningen. 4.3.De hydrolyse en coagulatie.

Zetmeel hydrolyseert gemakkelijker dan pentosanen.De hydrolysecondities worden dus afgestemd op de pentosanen.In de literatuur [28] is gevonden dat bijeen~pH=1,5 en een verblijf tijd van 1 uur vrijwel volledige hydrolyse plaatsvindt.

De eiwitten dienen uit de voeding verwijderd te worden omdat na fermentatie niet duidelijk is wat de produkten zullen zijn.Ook zouden de e'iwitten

in de indamp ers aankoeken.In de literatuur wordt coagulatie als

oplossing voorgedragen [27].Coagulatie heeft als nadeel dat de eiwitten denatureren en aldus van geringe toepassing zijn.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-10-3.Apparatuur.

5.1.De gefluïdiseerde bedreactor.

Uit de kinetiek blijkt dat er sprake is van produktinhibitie.Voor deze kinetiek is een plug flow reactor het meest geschikt.

In de literatuur [21) staat echter beschreven dat voor de ontkieming van de geïmmobiliseerde biomassa een goed gemengde ·karakteristiek gewenst is.Het feit dat er CO

2 en H2 geproduceerd worden duidt op een

reactor met gemakkelijke gasbevrijding.Uit de kinetiek blijkt ook dat een hoge fractie alginaatbollen voordelig is voor de produktie van de reactor en produktconcentraties.

Voor het grootschalige gebruik van een driefasensysteem (biokatalysator, medium en gas) hebben we gekozen voor een gefluïdiseerde bedreactor.(FBR). Voor een gefluïdiseerde bedreactor,met of zonder vloeistofrecirculatie, zal de fractie biokatalysator ongeveer 40-45% zijn [12).

Voor een FBR zonder recirculatie bepaalt de substraat inlet flow~

volledig de

fluïdisatiesne

i~

\

~

\

id.

Di t

~

R

reactors met een

- - - / ' " '

1". plug flow karakteristiek (nadelig voor het opstarten) en hoge H/n

verhoudingen om de gewenste conversie te bereiken.

Fluïdisatie van de alginaatbollen door recirculatie heeft als voordeel dat er in hoge mate beter gemengd zal worden.

Vergeleken met een gepakte bed zal de gasbevrijding bij de FBR gemak-kelijker zijn door de losse struktuur van de alginaatbollen.

Vergeleken met een geroerde tank zal de attritie veel minder zijn. Een lage H/D verhouding is voordelig voor de gasbevrijding,maar bij een te lage H/D verhouding zal er geen sprake zijn van een regelmatig

fluïdisatiepatroon.

Uit de literatuur [~1) blijkt dat de FBR een zeer regelmatige fluïdisatie

vertöont,die zich met een tweefasen model (L-8) goed laat beschrijven. De derde fase (Gas) beweegt zich in de vorm van kleine belletjes

-3

(0,5-1,0.10 m diameter) nauwelijks coalescerend en ongestoord door het reactorbed.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-11-Uit de literatuur [21] blijkt verder dat in de FBR het proces uiterst robuust en weinig gevoelig voor infekties en zuurstof is.

5.2.De membranen.

De produkten worden continu verwijderd van het fermentatiemedium door pervaporatie,een combinatie van diffusie en verdamping, met siliconen rubber membranen.Uit de literatuur blijkt dat produktinhibitie tot een zekere hoogte verminderd kan worden door continu produktverwijdering [ 5]. Door toepassing van pervaporatiemodules kunnen grote oppervlakten

bereikt worden. Verder kunnen er grote fluxen verkregen worden daar membranen met een dikte van 10 ~m al ontwikkeld zijn.

Om een hoge flux door de membraan te verkrijgen wordt gezorgd voor een grote temperatuur- en dampdrukverschil over de membraan.

Aangenomen is dat de scheidingsselectiviteit 50 is (berekend van de gemiddelde logaritmische massafractie butanol).Voor de eenvoud is ook aangenomen dat bij gelijke concentraties in het fermentatiemedium de fluxen B,l en E in een 6:3:1 verhouding hebben [21].

Voor de berekening van de flux butanol door het membraan zijp de data

voor siliconen buizen geäxtrapoleerd naar een membraandikte van 10,~m [ 4]. Voor de ontwatering van de verkregen lEE-mengsel is gekozen voor een

tweede membraan.Uit de literatuur blijkt dat pervaporatie voldoet voor het ontwateren van ethanol[17] en andere alkoholen [18].

Er wordt aangenomen dat het watergehalte van de butanolrijke fase teruggebracht kan worden naar 0,5 wt%. Dit geeft een pervaporaat bevattende 5 wt% IBE dat teruggebracht wordt naar de kolom Tl. Zie voor berekeningen bijlagen 11.7,III,V.2 en V.3 .

5.3.De destillatiekolommen.

Zie voor dimensionering en berekeningen bijlage IV voor Tl en bijlage VI voor T2 .

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-12-5.4.De indampers.

De indampers zijn gerangschikt volgens de "mixed flow" opstelling. Dit geeft een optimale energieverbruik én een hoge uitgangstemperatuur

van de voeding.De hoge temperatuur is nodig i.v.m. de zure hydrolyse

in R2.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-13-6.Massa- en warmtebalans.

De massa- en warmtebalans zijn weergegeven op voorgedrukte bladen. Hierin worden alleen totalen van stromen gegeven.

Volgend op de massa- en warmtebalans zijn de stroomspecificaties weergegeven,ook op voorgedrukte b1aden.Hierin wordt de opbouw uit de componenten van iedere stroom separaat gegeven.

Opgemerkt dient te worden dat bij de codering en nummering van de stromen en apparaten is afgeweken van de richtlijnen uit de handleiding voor het maken van het fabrieksvoorontwerp.

De hulpstromen HCl,Na2C03,CaC12,(NH4)2S04 zijn hierbij verwaarloosd in de weergegeven balanzen.

Met het warmte-effect over reactor R2 is geen rekening gehouden. Deze zal erg klein zijn.

•

IN

Voor-waarts

M

Q

M

Q

•

5,6674 695,2

i

j

.

0,5673 1568,2 5,6674

•

1977,2

•

5 6194 1:960,1 2,1953 6087,5 1 9719 5376,3

•

1,4594 3965 7 4,1599 2224,8

•

I

!

-V S -

-14-Massa

-

-en

Warmtebal ans

Condensaat p

EIWIT

33 -34\--- -; Stoom H12 Condensaat ::...:..:....:...;..----I~ Condensaat - - - 39 H14 Stoom 3 - -

-Condensaat

Retour

M

Q

-2 6510 1294,0

UIT

M

Q

I 1 0,5673 286,2

-I 0,0480 17,1 ; I I : , I 2,1953 1657,9

J

I

1 I 1145,9 I 1,9719 I 1 I I 1,5089 4082,4 1,4594 814,1

•

•

•

I

•

•

•

•

•

I

·

r I

I

•

•

•

- - -- --- - -- -- - - - -- - - , - - - -3,7461 312,9 67,7 0,6797 56,8 0,7600 2100,9 0,6791 - 38 347,3 Koelwater

o

6791 r'-'-" ... =---'1- - - - - -112,1 8 3448

-

- -

--

2 1265 6 Warmtestroom Koelwater 8,2473

-

- -

-1238,1 Stoom 8,2473

-

-

-2955,6 281,3 t-8...;...' 1_0_3_7_--'1_ _ _ - - 5 2674 3 R2 H15 Rl Hl H2 M1 Koelwater 3,7461 548,1 7..L6657 1153,5 H 2,C02

-

0,0975 47,5 Koelwater 0,6797 104,5 Condensaat 0,7600 383,4

-0)--

- -

-

-

-

7 6657

r

, j 2529,8

~--•

21,9183 1830,8

_Koelwater

_H4

_{Koelwater ..}

21,9183 3207,1

--.

T __

.

-0,4380

..

•

1 - -

---@"

-144,5

..

...

•

r

...

H5 ., C,0075 20,8 0,0075 3,8 ,-

_Stoom

_Condensaat

t

r----

---•

r 3,7547 313,6

I

H3 _{3,7547 549,4}

Koelwater

..

Koelwater

~ r

..

..

~

---0,4380 '

~

-

-

-

-

--161,5 ~

.

...

..

•

Stoom

T

l

Water Butanol

0,0387 103,8

-@

~

@-

-

_--:

_{0,5637 227,6}

~

--•

°

046Q ' - - -

---~

84,4

-@--

°

09'32 r--'"-

-

-0,1436

~

32,0

-

--45,5 4~ H6

•

1,1186 93,4

Ko

elwat

e

r

Koelwater

1,1186 163,6

°

0468

_-

_-

----@-14 2

•

~~ r

f-+-•

V2

...

_..

0,0972

--

@-

@

-

-

°

0406 14,7 27 7

•

j~ ",

i I 0,0208 0,0014 0,0183 0,6511

c

_

1,7 3,9 55,3 54,4 Koelwater 0,0566 11,7 Stoom 1-0~0;..;5;..;6;.,;;;6_-+_ _ _ 23 14,8

o

0532 52 0,1033 - 27 31,6 Stoom Koelwater H7 M2 H8 T2 H9 H10 Koelwater 0,0208 3,0 0,0406 16,0 Condensaat 0,0014 0,8 0--,0304

-6,8 26 --

o

0694 62,8

- -

_{0,0339 10,4} Condensaat 0,0183 13,7 Koelwater

..

0,6511 95,3

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

42,4807 _13366,9

~

Massa in kg/s

Warmte

in

kW

,...L

..

V3 ethanol ~ 2-propanol

@9- --

0,0227 r -

,....

-~ r

-Totaal

..

42,4807

Fabrieks voorontwerp

No:

2679 5,1

,

i 13366,9

•

_...

•

A pparaatstr oom

,. Componenten

butanol isoorooanol ethanol water glucose+xylose waterstof koolstofdioxide eiwit

Totaal:

~

ADparaatstroom

t

Componenten

butanol isopropanol ethanol water glucose+xylose waterstof koolstofdoxide eiwit

TotaaL:

M

in kg/s

a

in

kW

•

•

1

M

Q

(j 5099 0,1692 0,6791 112,1 6

M

Q

0,0304 0,0152

o

00!:.1 7,3474 0,2676 7,6657 1153,5

•

•

•

•

2 3

M

Q.

M

Cl

M

0,0304 0,0643

°

₀₆₄₃ 0,0152 0,0321 () ()~?1 0,0051 0,0107

°

₀₁₀₇ 7,8573 7,8573 7,8573 0,4368 0,2829 0,2829 8,3448 1265,6 8,2473 1238,1 8 2473 7 8

M

0.

M

Q

_M

0,0304

°

_.032l

o

0321 0,0152 0,0161 0,0161 0,0051 0,0054 0,0054 7,3474 0,0900 0,0900

-0,2676 7,6657 _{2529,8 0,1436} 281,3 0,1436

-,stroom/Componenten

staat

" " "', " . . ."' T' " "_._~. .. -_ _ "" _" '.'' ' - ' -" " ~-'-_ _ _

.-•

•

4

Cl

M

°

0321 0,0161 0,0054 7,7672 0,2829 2955,6 8,1037 9

Q

_M

o

0084 0,0145 0,0005 0,0234 45,5 0,0468

•

5

Q

2674,3 11

Q

14.2 . • I I I 1

•

I t-' (!) I

.

'

•

•

•

•

•

•

'

.

•

•

•

A pparaa

tsTr

oom

12 13 14 15 6

,Compo'nenten

M

Q

M

0.

M

Q.

M

0.

M

Q

butanol 0,0084 0 001'7 0 0017 9,0056 0 .034Q isopropanol 0,0145 , 0 , 0 0 0 9 0,0009 0,0130 0,0176 ethanol 0,0005 0,0003 0 0003 0,0058 water 0,0234 0,4198 0 4198 0,0746 0,0389 glucose+xylose 0,0153 0,0153

___

Totaa~_:___

_0,0469 84,4 0,4380 144,5_

0,~380

16~,~

_____

~O~~?

___

~g.!Q

__

~

0,0972 27,7

..

Apparaatstroom

, Componenten

butanol isopropanol ethanol water glucose+xylose

Totaal:

M

in

kg/s

___

.

.0.

.

in

k

W

18

M

Q

o

0012 0,0006

o

0002 0,0386 0,0406 16,0 19 20 21 22

M

Q

M

D-

M

a.

M

0,0012

_o

₀₀₀₁ O,O~~7 0,0006 0,0169 0,0002 _0,0056

o

0386 0,5483

o

0387 0,0003 0,0153

.

0,0406 14,7 0,5637 227;6 0,0387 103,8 0,0566 11,7

Stroom /Componenten staat

a.

,

•

I I\) o I

.

'

•

ApparaatsTroom

, Compo'nenten

butanol isopropanol ethanol water waterstof koolstofdioxinp

Totaal:

..

ADparaatstroom

, Componenten

butanol isopropanol ethanol water glucose+xylose eiwit

Totaal:

M

in

kg/s

Q

in

kW

•

•

23

M

Q

0,0337 0,0169

.

0,0056 0,0003 0,0566 14,8 28

M

Q

0,0691

°

0003 0,0694 62,8

•

•

•

•

24 25

M

0.

M

Cl.

M

°

0001

°

0001

°

0396 0,0227 0,0132 _0,0075 0,0003 0,0001 0.0027 0,0948 0,0975 47,5 0,0532 52,8 0,0304 29 ₃₀

M

Q

_M

Q

_M

0,0337

°

0001 0,0169 0,0056 0,0002 0,0001 _{5 4502} 0,1692

°

0480 0,0339 10,4 0,0227 40,9 5,6674

Stroom /Componenten staat

•

26

Cl.

6,8 31

a.

.

695,2

•

•

27

M

a

°

lO/A 0,0005 0,1033 31,6 32

M

Q

5,4502 0,16~2 0,0480 _ 5,6~~~ __ _ 1977,~_ I

•

I I\) ~ I

•

•

•

•

....

A pparaatstr oom

33

+

Compo·nenten

_tv1

Q

water glucose+xylose eiwit 0,0480

Totaal:

0,0480 17,1

...

A

p

P ar aatstroom

38=41

t

Componenten

tv1

Q

water

_o

5099 glucose+ xylose 0,1692

Totaal:

_{0,6791 347,3}

M in kg/s

L

0.

~n

_

k

~

•

•

•

•

34 35

M

Q

M

Cl.

tv1

5,4502 1,9719 1 4594 0,1692 I I 5,6194 1960,1 1,9719 5376,3 1,4594 39 40

M

Q

_M

_Cl

_M

~ CjCj07 2 4818 2,1953 0,1692

o

1692 4,1599 2224,8 2,6510 1294,0 2,1953

Stroom ICQmpQnenten staat

. . -. . .. . . ' 7· · ..• -. .• - . .. . ._''"-'-. .

----"-"--•

•

36

Cl

M

1,5089 3965 7 1,5089 .42

Q

_M

6087,5

•

37

Q

4082,4

Cl

I I , ! , I I

•

I N N I

•

•

•

•

•

•

•

•

Apparaat No:

Benaming,

type

*

A-&-e-. of eff.

druk in bar

temp. in oe

Inhoud in m

3

Diam.

in m

1 of h

in m

Vulling:*

schotels-aant.

vaste pakking

katalysator-type

-

" - vorm

q~ 8;m.e.t~r. •• ~

lil ).

Rl

fluidized bed reactor 1,013 37 8,56 1,22 7,32 . -3 1,94.10

g~~~t~~~?~~&~m3

1043 dichtheid incl. 1083 biomassa (kg/m3 )

Speciaal te

ge-bruiken

mat.

aantal

₁

•

serie/parallel

•

•

•

*

R2 reactor 3,39 136,5 2,0 1,37 1,37 1 -23-V1 mengvat 1,19 37 1,0 1,08 1,08 1 V2 decanter 1,013 88 0,75 0,98 0,98 1

aangeven wat bedoeld wordt

V3 top-accumulator 1,013 81,35 1

•

-24-Apparaat No:

V4 V5

•

Benaming,

_vacuumvat

_vacuumvat

type

'

.

~of

eff.

3( 0,884 0,888

druk in bar

•

temp. in oe

8S 88

Inhoud in

m

3

Diam.

in m

•

1

of

h

in m

Vulling:

3(

schotels-aant.

•

vaste pakking

katalysator-type

•

-

,

,

_-

vorm

·

...

·

...

·

...

•

Speciaal te

ge-bruiken ma

t.

aantal

•

serie/parallel

•

•

3(

aangeven wat bedoeld wordt

r

-

_{Apparatenlijat voor diversen}

-25---~

o

.

Apparaat No:

_{M1 M2}

Benaming,

_Siliconen

_Cellofaan

rubber

membraan

type

_membraan

'

.

_Capaciteit

0-,785 5,0 kg buta~ol/m2h kg

water/m2h

*

Pe

1,913

bar Pe

1,013

bar

Abs.of eff.

,

•

} 'fI

druk in bar

Pe

0,884

bar Pe

0,888

bar

•

°c

4 88 16 88

temp. in

_{5 81 22 80,2} R AA 18 ₈₈

Inhoud in m

3

:

.

of afmetingen

_{147 28}

in

_m

*2

.-

..

•

aantal

serie/parallel

1 1

Dikte in !..lm

10 30

•

•

•

*

aangeven wat bedoeld wordt

,

.

•

-26-Apparatenlijst voor warmtewisselaars,

fornuizen

---i

.

Apparaat No:

Hl

H2

H3

H4

H5

koeler

verwarmer

condensor

koeler

verwarmer

Benaming,

_{reactor Rl}

_reactie-

_pervaporaat

_{voeding Tl}

type

produkten

•

.

Medium

_reactie-

_koelwater/

_koelwater/

_{voeding T1/}

pijpen-/

-/koelwater

produkten/

pervaporaat vloeistof-

stoom

stoom

stroom uit

mantelzijde

_M1

•

Capaci tei t,

uitgewisselde

_47,7

_1717,5

_235,8

1376,3

17,0

warmte in kW.

•

,

Warmtewisselend

oppevl. in m

2

24,2

40,7

8,5

94,5

0,7

I

Aantal

pa~ärt~{

1

1

1

1

1

~.

of

eff.

*

•

druk in bar

/

-/3

1,013/2,056

3/0,884

3/1,013

1,013/2,056

pijpen-•

mantelzijde

temp. in / uit

in oe

-pijpzijde

37/88

20/35

20/35

81 /92

•

mantelzijde

_20/36,75

_120/120

_88/88

_{81 /37}

_120/120

Speciaal te ge- koelwater door

bruiken mat.

dubbele wand

reactor

•

•

•

*

aanf,even wat bedoeld wordt

•

--•

-27-Apparatenlijst voor warmtewisselaars, fornuizen

---•

Apparaat No:

H6

H7

H8

H9

H10

Benaming,

_condensor

_condensor

_verwarmer

_reboiler

_condensor

type

topprodukt

pervaporaat

voeding T2

topprodukt T2

Tl

M2

•

Medium

_koelwater/

_koelwater/

_{voeding T2/}

_bodemprodukt

_koelwater/

•

pijpen-/

topprodukt Tl pervaporaat

M2

stoom

T2/stoom

topprodukt

T2

mantelzijde

Capaciteit,

uitgewisselde

_70,2

_1,3

_3,1

_41,6

_40,9

warmte in kW.

,

•

_{Warmtewisselend}

2

1,75

0,05

0,1

0,7

1,2

oppevl. in m

Aantal

pa~älfê{

1

1

1

1

1

~

of

eff.

*

•

druk in bar

pijpen-

_/

3/1,013

3/0,888

1,013/2,056

1,013/10

3/1,013

•

mantelzijde

temp. in / uit

in or,

20/35

pijpzijde

20/35

80,2/98,15

117/117

20/35

mantelzijde

_88/88

_88/88

_120/120

_180/180

_81,35/81,35

•

Speciaal te

ge-bruikenma t.

'

•

•

•

•

-28-Apparatenlijst voor warmtewisselaars, fornuizen

---•

Apparaat No:

HU H12 H13 H14 H15

verwarmer

indamper

indamper

indamper

koeler

Benaming,

_voeding

_produkt

type

indamper

I

•

Medium

•

voeding/

voeding/

voeding/

koelwater/

pijpen-/

_stoom

voeding/

_stoom

_stoom

_stoom

_produkt

mantelzijde

indamper

Capaciteit,

uitgewisselde

_{1282,0 4429,6 4230,4 3151,6 235,2}

warmte in kW.

Warmte wisselend

2 28,0 185 177 132 9,9

oppevl. in m

•

Aantal

pa~ärf~{

1 1 1 1 1 ~.

of eff.

iE

druk in bar

pijpen-

_/

1,013/2,056 3,39/10 2,88/3,39 2,056/2,88 3/3,39

•

mantelzijde

temp. in / uit

in oe

_30/85 120/136,53 85/130,1 130,1/120 20/35

pijpzijde

mantelzijde

_{120/120 179,8/179,8 136,53/136,53 130,1/130,1} 136,53/37

•

Speciaal te

ge-brllikenmat~·

'

.

•

•

•

-

29

-Apparatenlijst voor pompen, blowers, kompressoren

---Apparaat No:

_Cl

P1

P2

P3

P4

•

continuous

Benaming,

di sc

centrifuge

pomp

pomp

pomp

pomp

/

•

type

water

water

water

water,butano1,

water

te verpompen

_glucose

glucose

glucose

glucose,xylose butanol

•

medium

xylose

xylose

xylose

isopropanol,

isopropanol

eiwit

ethanol

ethanol

Capaciteit in

_5,6674

5,6194

2,6510

8,3448

0,1436

t-f.4

of kg/si{

Dichtheid

₃

3

3

3

3

kg/m

3

1,020.10

1,012.10

1,029.10

1,008.10

0,916.10

in

•

Zuig-/persdruk

•

in bar(e:&&.of

1,013/1,114

1,11

11

/2

,

6

2

2,056/3,39

1,190/1,655

0,884/1,013

eff. i{)

temp. in

°c

/ uit

85/85

85/85

120/120

37/37

88/88

in

•

Vermogen in kW 0,0559/5,59

0

,

8

4

6/84

,

6

0,517/51,7

0,385/38,5 0,002/0,2

theor. / prakt.

Speciaal te ge

•

bruiken mat

aantal

serie/parallel

1

1

1

1

1

•

*

aan

g

even wat bedoeld wordt

•

i

.

i

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Apparaat No:

Benaming,

type

te verpompen

medium

Capaciteit in

*

of kg/a*

Dichtheid

in kg/m

3

ZUig-/peradruk

in

bar(~.of

eff.i()

temp. in

°c

in / uit

Vermogen in kW

theor. / prakt.

Speciaal te ge

bruiken mat

aantal

serie/parallel

-30-P5 P6

pomp

pomp

water

water,butanol

butanol

isopropanol,

isopropanol

ethanol, XylOSE

"ethanol

glucose

0,0406 7,6657 1,000.10 3 1,000.10 3 0,888/1,013 1,013/1,19 88/88 37/37 -4 5,1.10 / 0,136/13,6 -2 5,1.10 ~ 1 1

•

•

•

•

•

•

•

•

•

'

.

•

Technische

Hogeschool Delft

Afd.Chemische Technologie

Apparaatnummer

:

Tl ..

ALGEMENE

-31-EIGENSCHAPPEN

:

Fabrieksvoorontwerp

No:2679

Datum : juli 1986

Ontworpen

door

:KishonijOeh1ers

Fabrieksnummer

:

Funktie ...

:

destillatie

I

e](tralttie

I

ah361l"tie

I

...

_*

Type toren ...

: SQpa\tt

I

schotel

I

sproeier

I

...

*

Type schotel ...

: ltle\tj e

I

zeefplaat

I

~

I

...

*

Aantal schotels ...

:

theoretisch

:

9

Aantal schotels ...

:

praktisch

:

18

Schotelafstand

I

HETS

: Q .4~7.

m

Materiaal schotel : roestvrij staal

Diameter toren ...

:

0,2

. . ...

m

Hoogte toren

....

:

8,2 m

Materiaal toren

...

:roestvrij staal

Verwarming ...

: _~

I

open stoom

I

l'ehei:±e~

_I

...

*

BEDRIJFSKONDITIES

:

Voeding

Top

Bodem

Reflux/absorp-

Extraktie

tie middel

middel/ ...

stroomnummer

U

°c

Qj~

@

@

@

Temperatuur ...

92 88

88

100

88

Druk ... bar

_1,013

_1,013

_1,013

_1,013

Dichtheid ... kg/m

3

1,000.10

3

0,8861.10

3

1,000.10

3

_1,000.10

3

Massaströom ... kg/s

!~

0,4380

0,0469

0,5637

0,0932

°

,Q406

Samens telling

~n

0~01

D~~:

0,068 0,179

6.1Ö

5 2,48.

mol 7. resp. gew.7.

16

4

0,017

0,06

but8.n()l

°

₀₀₈

ONTWERP

:

Aantal klokjes

I

zeefgaten

_/

. .

.

. . . . ..

**.

..

Type pakking ...

:

Aktief schoteloppervlak ...

:

m

2

Materiaal pakking

Lengte overlooprand ...•...

: mm

Afmetingen pakking

Diameter valpijp

I

gat

I

...

:

mm

Verdere gegevens op schets vermelden

*doorstrepen wat niet van toepassing

~s.

**

.

.'

•

•

'

.

•

•

•

•

•

•

Technische Hogeschool Delft Afd.Chemische Technologie Apparaatnununer : T.~ . ALGEMENE -32-EIGENSCHAPPEN : Fabrieksvoorontwerp NO:2679 Datum : juli 1986

Ontworpen door :kishoni/Oehlers

Fabrieksnummer :

Funktie . . . : destillatie

/

Cl, tr allt i c

/

aB::;or~tie

/

...

*

Type toren . . . : gc~altt

/

schotel

/

SIHoclcr

/

...

*

Type schotel ...•.. : Molt je

_/

zeefplaat

/

valve

/

... "" ...

*

Aantal schotels ... : theoretisch : 15 Aantal schotels ... : praktisch : 30

Schotelafstand

/

HETS :

0.,A5.7.

m Materiaal schotel : roestvrij staal Diameter toren ... : 0.,.1.7 .. m Hoogte toren ... : 13,7 m

Materiaal toren ... : roestvrij staal

Verwarming . . . : _~

/

9~Cft steelft

/

reboiler

/

... "

*

BEDRIJFSKONDITIES :

Voeding Top Bodem Reflux/ absorp- Extraktie tie middel middel/ ... Temperatuur ...

°c

98,15 81,35 117 81,35

Dt:uk . . . bar 1,013 1,013 1,013 1,013 Dichtheid ... kg/m 3 0,8067.103 0,7915.103 0,814.103 0,7915.103 Massastroom ... kg/s 0,0566 0,0227 0,0339 0,0304

Samenstelling 1n _{,104. 11,457. 1,104. .457.} mol _{7. resp. gew.7.} 0,530 p,596 0,98C

-153

la

3 0,998 103 103 h,-,+<>nr.l

ONTWERP :

Aantal klokjes

/

zeef gaten

/

...

**

: Type pakking ... : Aktief schoteloppervlak ... : m 2 Materiaal pakking : Lengte overlooprand ... : nnn Afmetingen pakking : Diameter valpijp

/

gat

/

... : nun

Verdere gegevens op schets vermelden

*

doorstrepen wat niet van toepassing 1S.

•

•

•

•

i

I

.

I I

•

•

."

.

'

.

'

-

:

•

₁

_{__}

-33-8.Kosten. 8.1.De investeringen. De fermentatie:

reactor R1,roestvrij staal,dubbe1e wand mengvat V1,1 m3 ,roestvrij staal

pomp warmtewisselaars,110 m2 Opwerking 1: 2 pervaporatiemodulen,180 m2 destillatiekolom,L=8,2 m,D=0,2 m,18 schotels decanter, 0,75 m3 2 pompen warmtewisselaars,53,5 m2 Opwerking 2: destillatiekolom,L=13,7 m,D=0,2 m,30 schotels reboiler,0,7 m2 warmtewisselaar ,1,3 m2 Indampers: indampers , 500 m2 2 pompen Hydrolyse: reactor,2 m3 Coagulatie: warmtewisselaar ,28 m2

centrifuge, disk type,roestvrij staal Totaal: fermentatie 57.000 opwerking 1 140.900 opwerking 2 23.100 indampers 124.000 hydrolyse 2.000 coagulatie 75.600 + 422.600 13,5 % 33,5 % 5,5 % 29,0 % 0,5 % 18,0 % 100,0 % + 32.000 1.000 2.000 22.000 115.200 10.000 1.000 4.000 10.700 20.000 2.800 300 120.000 4.000 2.000 5.600 70.000

De Lang methode [22] voor het bepalen van investeringen voor een gemengd proces:

•

•

•

•

•

•

•

•

-34-8.2.De produktie- en arbeidskosten.

De produktiekosten over een jaar (300 dagen) zijn:

stoom l,O.10! ton/jaar

,

1 bar))

5,7.10 ton/jaar

,

10 bar)

koelwater 8,3.10 ton/jaar 's.~

,

3 bar

electriciteit 5,0.10 9 kWj aar

biokatalysator 3500 kg 4x per jaar

CaC1 2·2H2O 39 ton/jaar (NH4 )2S04 48 ton/jaar HCl 21 ton/jaar Na 2C03 61 ton/jaar

Rekening houdende met ziekte,verlof:1,5*23=35 man

Arbeidskosten=35*55.103=l,9.106

Berekening totale kosten met de Clarke'.methode [22]:

O,l*investeringen+2,3*arbeidskosten+3,O.106=7,5.106

I~

I Opbrengst aan butanol=3,4.10

\,~

~\

2,5.10 6 5,2.10 4 2,5.10 5 2,6.10 4 9,0.10 4 7,6.10 4 6,2.10 3 2,5.10 4 aantal personen 6 6 3 3 3 2

L

~)

~

JVvv?

'

I

!

.

"

.

'

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-35-9.Symbolenlijst. symbool A C,c c b,max C sb,flood Cw D D D ax d p G g H L

L,l

N p

*

p Re I' S I' s,max T T T c

T*

n

u

omschrijving oppervlakte concentratie maximale butanolconcentratie capaciteitsparameter wrijvingscoëfficiënt diameter reactor,kolom verdunningssnelheid axiale dispersiecoëfficiënt diameter alginaatbol massa-,molenstroom gasfase gravitatieconstante

totale hoogte reactor

massa-,molenstroom vloeistoffase effectieve reactorhoogte

aantal ideaal gemengde tanks druk

verzadigde dampspanning zui vere;'component gereduceerde verzadigde dampspanning zuivere component kritische druk overgedragen warmte Reynoldsgetal substraatconsumptiesnelheid maximale substraatconsumptiesnelheid temperatuur gereduceerde temperatuur kritische temperatuur kookpunt bij 1 atm

warmteoverdrachtscoëfficiënt

gassnelheid door netto oppervlak bij flood effectieve reactorvolume totale reactorvolume eenheid kg/m3 kg/m3 ft/s m -1 h m kg/h,mol/h m/s2 m kg/h,mo1/h m atm atm atm

w

kg!m3alginaat.h kg/m3 alginaat.h K K ft/s

I

·

•

I

·

I I

•

•

•

•

•

•

•

•

v x y y

P

'1.

suffix: -36-echte vloeistofsnelheid superficiële vloeistofsnelheid valsnelheid

massafractie component in vloeibare fase massafractie component in gasfase

yield dichtheid viscositeit volume fractie volume-,massa-,molentsroom b=butanol i=isopropanol e=ethanol ibe=i+b+e

s=alginaatbollen + droge stof g=gas l=vloeistof mis mis mis kg/kg kg/kg kg butanol/ kg glucose + xylose kg/m3 Pa.s m3 /m3 m3 /h,kg/h,mol/h

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-37-10. Literatuuroverzicht. [1] T.G.Lenz,en A.R.Moreira,Industr.Eng.Chem.,(Proc.Res.Dev.),19, ( 1980) ,478. [2] G.H.Schoutens,M.C.H.Nieuwenhuizen,en N.W.F.Kossen,Appl.Microbiol. Biotechnol.,19,(1984),203. [3] G.H.Schoutens,M.C.H.Nieuwenhuizen,en N.W.F.Kossen,Appl.Microbiol. Biotechnol.,21,(1985),282.

[4] W.J.Groot,C.E. van den Oever,en N.W.F.Kossen,Biotechnol.Letters, §., (1984) ,709.

[5] W.J.Groot,G.H.Schoutens,P.N.van Beelen,C.E.van den Oever,en N.W.F. Kossen,Biotechnol.Letters,§.,(1984),789.

[6] A.L.Compere,W.L.Griffith,Developments in tndustrial microbiology, (1979),509.

[7] P.G.Krouwel,W.J.Groot,N.W.F.Kossen,W.F.M.van der Laan,Enzyme and Microbial Technology,2,(1983),46. [8] I.S.Maddox,Biotechnol.Letters,~,(1980),493. [9] J.Klein,J.Stock,en K.D.Vorlop,Eur.J.Appl.Microbiol.Biotechnol., 18 , ( 1983) ,86. [10] M.Nagashima,M.Azuma,S.Nguchi,K.Inuzuka,en N.Samejima,Biotechnol. Bioeng.,26,(1984),992.

[11] M.H.V.Mulder,J.Oude Hendrikman,H.Hegeman,er.l C.A.Smolders,. J.Membr.Sci.,16,(1983),269.

[12] J.F.Richardson,en W.N.Zaki,Trans.Instn.Chem.Engrs.,32,(1954),35. [13] P.G.Krouwel,W.F.M.van der Laan,en N.W.F.Kossen,Biotechnol.

Letters,~,(1981),153.

[14] M.H.V.Mulder,Diss.Twente,(l984).

[15] M.K.Strobel,en J.B.Bader,Report ORNL/MIT-330,(1981). [16] R.Noon,Report DOE/AF/93013-TI,Topeka,(1981).

[17] Q.T.Nguyen,B.Clement,en J.Neel,Le Lait,64,(1984),181. [18] E.Nagy,O.Borlai,en A.Ujhidy,J.Membr.Sci.,Z,(1980),109. [19] R.de Boer,en J.Hiddink,Desalination,35,(1980),169.

[20] R.H.Perry,en C.H.Chilton,Chemical Engineer's Handbook,6th ed.,(1984). [21] G.H.Schoutens,Diss.Delft,(1986).

[22] A.G.Montfoort,De Chemische Fabriek,IA,IB,II,(1981).

[23] T.W.de Loos,H.J.van der Kooi,Toegepaste ThermodJnamica en Fasenleer, ( 1983) ,142.

[24] E.J.de Jong,Apparaten voor de Procesindustrie,(1981).

[25] C.L.Yaws,Physical Properties,A Guide to the Physical,Thermodynamic and Transport Property Data of Industrially Important Chemical Compounds,(1977),220.

[26] H.Effenberger,Technologie ontwikkeling van de A.B.E. fermentatie met pentozanen houdende oplossingen,(1986),73.

[27] J.W.Finley,Cereal Chem.,54,(1977),131. [28] R.H.Rogge,Ind.Eng.Chem.,41,(1949),2070.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-38-Bijlage l.

Op de volgende pagina (figuur 1) is het processchema te vinden.

Opgemerkt dient te worden dat bij de codering en nummering van de

stromen en apparaten is afgeweken van de richtlijnen uit de handleiding voor het maken van het fabrieksvoorontwerp.

Zo begint de nummering van de stromen bij de toevoer naar de mengvat voor de gefluïdiseerde bedreactor.De voorbehandeling van de voeding is pas achteraf genummerd. Verder zijn de apparaten per categorie genummerd.

•

•

•

Hl2 H13 P2 36) ~ AF\lALWATER C 1 CENTRIfUGE EIWIT H 1 KOELER H 2 VERWARMER Hll H 3 a>lDENSOR PERVAf'OR ... T H 4 KOELER H ~ VERWARMER

H 6 CONDE NSOR TOPP/OOl)KT

Eiwit Cil

r®--~Î

H 7 CONDENSOR PERVAPORAAT H 6 VERWARMER H 9 RE80ILER Hl0 ODNDENSOR TOPPRODUKT Hl1 VERWARMER (COAGUlATIE) H12 INDAMPER HIJ INDAMPER

•

•

Stoom Hl4 Rl HU INDAMPER Hl~ KOELER MI MEMBRAAN M2 MEMBRAAN ONTWATERING) P 1 POMP P 2 POMP P J POMP

•

•

•

t<oetwcrt~ P5 ReslliJ P 4 POMP P !I POMP P 6 POMP

R fLU 10 BED REAC TOR R REACTOR HYDROLYSE V

'1

MENG VAT V 2 DECANTER 8..ITANOL-WATER V 3 TOPACCUMULATOR V 4 VACUUMVA T V f> VACWMVAT T 1 DESTtLLATlEKOLOM

T 2 DES TI LLA TlEKOUOM

- - - L

•

•

•

.) (pc HIO t<oeoPNate-r T2 ___ J 1$OprOpOnojA:~ f -- ----{(TAC Sloom BUTANJL

PROCESSCHEMA VAN DE BUTANOLWINNING

UIT TARWEZETMEELAFVALWATER

E.A. KISHONI

E.DL OEHlERS

fV.O.No. 2679

A~u,tus 1986

o

Stroomn,., DT~'n·C

OElf

,

d'"

In bor

•

•

•

ffo~)~

1

Lil

I/~.

"fr:. ",-,

t.ki',

t..!(f"

H

J

....

v ....

,.t...,

V

j

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

'

.

•

•

Bijlage 11.

t

11.1 Reactordimensioner. ng voeding : 1=2,2153 verdunn1ngssnelheid :D=0,3 h-1 -40-effectieve volume totale volume :V l=2,2153/0,3=7,384 :V =7,384*1,16=8,565 r

De hoogte-diameterverhöuding H/D kan uit figuur 2 afgeleid worden [21].

Voor V'=8,565 m3 _{geldt H/D=6.}

r . ./-"""_ '" ;. \

OMA),

__

~

~s,,""'1

k...

Als 6D~D2=8,563 m3

dan vinden we . ~~

-r

0 _ ) ifrrr. ~

reactordiameter: D=1,220 m reactorhoogte

oppervlakte

H=7,322 m A=1,170 m2

De fractie alginaatbollen in het bed is [21]:

E

=l-t =0,45 m3 /m3

s 1

11.2 Berekening van de benodigde vloeistofsnelheid om een

alginaatfractie van 0,45

m

3

_/m

3

te bereiken.

De superficiële vloeistofsnelheid volgt uit de Richardson-Zaki vergelijking [12]:

n vI =voof 1

met ~1=1-0,45=0,55 en n=3,02

( 1)

De valsnelheid van een alginaatbol volgt uit de vergelijkingen (2) en (3):

Ps =Pl +3C wiJl v!

I (

4d pg) met C =18,5/Re3/5

w

t Ret=Pl vood/'11

~lginaat

=1043 kg/m3 ;os=1043+40=1083 kg/m3 (alginaatbol bevat 40 kg/m3 droge stof) -3 2 ?1=0,797.10 Ns/m [20] 3 / ~

A.

=1,00.10 kg m -3 d =1,94.10 m [11] p g =9,8 m/s2

Het invullen van bovenstaande gegevens en het oplossen van

(2),(3) en (4) voor v~ levert:

Voo =0 , 04306 m/ s

(2 ) (3 ) (4 )

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-

-41-Het invullen van deze waarde in vergelijking (1) geeft:

V

I =7,079.10-3

mis

De echte vloeistofsnelheid is: v=V

I

/E

I=0,01287 mis 11.3 Beschrijving stroomgedrag reactor

Het stroomgedrag in de reactor is te beschrijven als een aantal ideaal gemengde tanks in serie.Vergelijking (5) geeft het aantal N: N=vL/(2D ) ax v=0,0128Tm/s met L=H/l,16=7,3223/1,16=6,3125 m -3 D =1,0.10 m~s [21] ax

Het invullen van deze waarden in (5) geéft het aantal tanks N: N=41

Hieruit volgt dat het stroomgedrag in de reactor beschreven kan worden als een buisreactor zonder dispersie.

(5 )

11.4 Berekening volumestroom in reactor (~2) en circulatiestroom (~7)

~2=AVI=1,170*7,079.10-3*3600=29,8117

m3

/h

~

L

tL.rrvrJ).

1c·

",1 ...

chv.. /.;-

~

~'.If

~7=~2-~1=29

,

8117-2,2153=27,5964

m3

/h _{Jjq~o A~} J_ rO

~

. A,AI

'f ,

)r~--11.5 Berekening omzetting reactor

Voor de substraatconsumptiesnelheid geldt [21]: r =(l-é

l )r (l-Cb/Cb ) (6)

s max ,max

Er is sprake van een mengsubstraat.Voor de twee substraten afzonderlijk volgt uit de literatuur:

glucose : xylose r =54 kg/m3 alginaat.h max C b =7,4 kg/m 3 ,max r =53,4 kg/m3 alginaat.h max C b =9,2 kg/m 3 ,max

Er wordt genomen voor het mengsubstraat: r =54 kg/m3 alginaat.h max C b =(7,4+9,2)/2=8,3 kg/m 3 ,max [26]

•

•

•

•

•

•

:

(

/

I

•

.

-•

t " ..

.

,

_·

.

'

.

•

•

•

•

,

.

•

I

•

•

•

•

_.

_. :~ .; , " I

.i

•

•

-42-In een buisreactor geldt voor de concentratie butanol: met

Ol/~Y10S;;C

~

van "bovenstaande gegevens en vergelijking (6) geeft:

dC

b!dl=2,8230(1-Cb!8,3) -

á'~ri.I'-~

, d. ~

)

; : ) .2,J2o'--t... (' ... ~

7

-

,~,

c.

~.

?

f'L

Integratie van (8) geeft:

)

-~

cbll=0=8,5592Cb-62,7414

--,

r\r

~1,~ ~

11.6 Massabalans over membraan M1

~

~

l../r-(

c.~

De massabalans over membraan M1 voor butanol: met

geeft:

Het membraan wordt zo ontworpen dat 50

%

van de geproduceerde alkoholen er doorheen gaat:

~*~

9,8117Cb=X505·103

~*29,8117Cb=x80aP8

Voor het membraan geldt:

1-x*2.EL

Go)

~

~

4] waarbij

x 1-x8 ~ I x=(x 4-x5)!ln(x/x5)

~

~

~

., . Voor x 4 geldt: x₄=C b

!P

Cbll=0=(103*x50507!05)!02=0,9257.103x5

Uit de vergelijkingen (9),(16) en (17) volgt voor x 5: -3

x

5=9,2462.10

px

4-0,06778

Uit (15) en (18) volgt voor x:

[ -3 -3

x= 0,067788+(1-9,2462.10 p)x

4]!ln[x/(9,2462.10

px

4-0,06778)]

Uit (10),(12),(13),(16) en (18) volgt voor x

8:

x8i14,9059X4![29,8117-14,9059X4!(9,2462.10-~x4-0,06778)]

.~

L-(7 ) (8 ) (9 ) (10) (11 ) (12) (13) (14) ( 15) (16) (17) (18) (19) (20)