Bereiding van aceetaldehyde volgens het Wacker tweetrapsproces

..

. Verslag behorende . bij het fabrieksvoorontwerp

adres: Boreelstraat 44 Den Haag Delfgauwseweg 112 DELFT

opdrachtdatum: okt.1972 verslagdatum : jan 1973

)

/

L

[

[

[

[

[

n

~

[

,

[~

[

1

Q

n

o

o

n

n

n

.~

- - - -

-FABRIEKSVOORONTWERP

BEREIDING VAN ACEETALDEHYDE VOLGENS HET

J.S.van de Bas Boreelstraat

44

Den Haag

\{ACKER T\{EETRAPSPROCES

10 januari 1973

A.A.van Eggelen Delfgauwseweg 112 Delft

Verbeteringen. Blz.

7

regel 4-8 wordt:

De Cl~ionen concentratie verlaagt de reactiesnelheid (zie kinetiekvergl. op blz 6).Bij afnemende el'-concentratie (zie evenwicht 1 blz. 43

bij-lage 1}zal de reactiesnelheid dus toenemen.Dit blijkt uit grafiek

3,

waar de reactiesnnlheid als functie van de conversiegraad x is uitgezet. De Cl:Cu verhouding beinvlo~dt de reactiesnelheid volgens grafiek 1. Met het vorderen v~n de Cu+ -conversie zal dus de Cl-contratie afnemen

en daarom de reactiesnelheid toenemen.Dit blijkt uitN o.a. blz. 45 derde regel van onder,waar de reactiesnelheidsvergl. is ingevuld.

1

L.

[

n

n

n

n

-1-IA.

Samenvatting

Aceetaldehyde is een belangrijk tussenprodQ~t voor de organische industrie. Er wordt azijnzulU' van gemaAkt, n-butanol en andere aldolprodukten, azijnzuuranhydride, pyridine etc.

Hier zal de bereiding va.'rJ. aceetaldehyde volgens het ';'[acker twee-trapsproces worden besproken; de directe oxidatie van etheen in een waterige oplossing van PdC1₂ en ?uC1₂•

De apparatuur is berekend op een jaarcapaciteit van 40.000 ton. In de reaktor wordt het etheen onder een druk van 10 atm. bij 100

°c

voor

99%

omeezet,waarvan slechts enkele procenten bijprodukten zijn. vnl. Gechloreerde aldehyden en ethylchloride. De reaktor is een buisreaktor van 40 m lang en 41 c~ diameter. Het stromingsprofiel in de-buis wordt gekarakteriseerd door 'Stoszströ~ung'. De reak-tor is in de vorm van haarspelden verticaal opgesteld en vervaar-digd van zuiver titaan.

In de oxidator wordt de katalysator geregenereerd.

In de 'flashtower'na de reaktor wordt, het aceetaldehyde geschei-den van de katalysatoroplossing, door het aflaten van de druk.Hier-bij wordt ook een grote hoeveelheid stoom afgedestilleerd. In de hieropvolgende 'crude' destillatie, wordt de concentratie van het aceetaldehyde tot 70% verhoogd. Het grote voordeel van dit proces is, dat de reaktiewarmte eeheel voor deze twee destillaties bruikt kan worden. Het aceetaldehydef';later mengsel kan daarna- ge-scheiden worden van zijn bijprodt~ten in twee destillaties.

In de ee~ste destillatie verdwijnen de lichte bijprodukten over de top. vnl. Ethylchloride kpt. 12oC. In de tweede destillatie wordt aceetaldehyde gescheiden van alle hoger kokende komponenten. Dit zijn water en gechloreerde aldehyden, die bij 850C koken. Bij deze destillatie vindt er een acc~~ulatie plaats van de gechloreerde aldehyden, die dan ook het beste via een zij aftap kunnen worden verwijderd. Alle delen die in aanraking komen met de hoogst corro-sieve katalysator oplossing, moeten Ve~ titaan worden gemaakt. Daarom zal de reako~ en de pomp voor het katalysator transport ongetwijfeld de grootste investering zijn. De investeringen Vlorden met de methode Zevnik-Buchanan op 23 ~iljoen gulden geschat.

"

~

- - -

-"

2

-IB. Conclusies

Gezien het feit dat aceetaldehyde ook volgens het eentraps-proces gemaakt kan worden door rechtstreekse oxidatie uit etheen, is het moeilijk te zegGen welk proces de voorkeur verdient, het eentrap:3- of het tweetrapsproces.

Wel is zeker dat de investeringskosten voor het tweetraps-proces het grootst zijn. Om een keuze te kunnen maken uit

deze twee processen, dient dan ook eerst een zeer nauw-keurie;e kostenberekening te worden gemaakt.

Nageeaan zal ook moeten worden welke fabriek in de praktijk de minste problemen geeft, wat betrefd apparatuur en onder-houd. Tevens dienen milieutechnische aspekt en met elkaar vergeleken te worden. Voor het eentrapsprocês is reeds een verbrandine;soven aanbevolen voor de bijprodukten. NaGegaan" zal rr.oeten Vlorden of dit ook voer het tweetrapsproces

~) noodza.'lcelijk is, omdat hier minder bi~produktcn ontstaa.n door een hogere conversie.

L

r ,

[

~

[

[

~

r :

r '

l.

~l

~l

n

n

n

r 1 l , InhoudsoD{':ave

IA) Samenvatting van de technologische uitvoering van het

proces.

-IB) Conclusies 11 Inleiding

111 Uite;angspunten voor het ontwerp

IV Beschrijving van het proces

VProcescondities

VI Motivering van de keuze van de apparatuur en de berekenitlG hiervan

1) berekening van de reaktor en de oxidator ?) berekening VE.n de flashtower

3) berekenine; van de crude clestillatietoren

4) berckeninr: van de absorber I

5) berekeni!l~ V2_U destillatiekolom I 6) berekenine van destillatiekolom 11 7) berekening van warnitevrisselaar H12

8) berekening van de etheen compressor met warmtevlisselaar 9) berekenine van de absorber 11

VII massa en warmtebalans

VIII Enkele kostenaspekten IX

X

Symbolenlijst li teratuurlij st Bijlaee I

bijlage 11 reaktor berekening

bijlage TIl absorber 11

bijlage rIII koelsysteem met freon-12

grafieken waarnaar in de tekst wordt verwezen

pg. 1 2 3

3

4

6 9 10 14 15 19 21 24 30 31 33

34

J8

39

42

43

45

47

51

I

I

:

!!

li j

-

m-I

IL

r'

l

~

r

[

:

r '

l

\

r ' t ,

[l

n

n

n

3

-11. Inleidinp;:

Een belangrijk deel van het aceetaldehyde wordt doorgeoxideerd tot azijnzuur. Andere belangrijke produkten zijn: 1-butanol, dat als oplosmiddel voor lakken wordt gebruikt, 2-ethylhexanol wordt verwerkt tot hulpstoffen voor de polYJ::leerverwerking.

Voor gegevens betreffende marktverdeling en bestaande capaciteit, alsmede alternatieve roetes wordt 'verwezen naar het fabrieks-voorontwerp voor het eentrapsproces.

lIl .• Ui t:-"',agspun-!;en voor het ontwerp:

Rekening moet worden gehouden met een aantal afgasstromen. In princiepe zijn dat dezelfde bijprodu..1_{ü en die moeten worden} afgevoerd als bij het eentrapsproces. De hoeveelheden zijn bij het tweetrapsproces kleiner, omdat de selectiviteit in de

praktijk groter is. De afgasstromen zijn:

stroom 20 vnl. etheen, in zeer kleine hoeveelheden. stroom 19 62.000 ton N

2 per jaar.

"

r-

stroom 13

\ J . 890 ton Ethylchloride per jaar.

. ,JJl

6

, . ~vr stroom 1 500 ton gechloreerde aldehyden opgelost in 500 :M'"

ton water.

Voor verdere geeevens wordt verwezen naar het voor0ntwerp voor het 1-trapsproces.

eigenschappen: aceetaldehyde molee.gewicht lept. smeltpunt 44,054 20,8 oe -123,50e brekingsindex 1,1~37 vise. 20,3 oe 0,2237 ethylchloride 64,52 12,4 -138,3 1,3742 ethylene 28,03 -103,71 -169,15 ep 0,33G cal/gOe ,

1~

AHv 0 131' cal/g I ' Î

,,""- \"

~

~

verbrandingswarmt e

I

278, 4 cal • .

~\..

~

.

explosie&renzcn.in lucht bij 20/oe,7Gd

0,260

0,3796

91,5 cal/g

L

[

J~

1

n

Il

n

n

n

n

r

' {

-IV. Beschrijving van het proces.

Het proces kan worden ingedeeld in zeven stappen:

1) Reaktie

2) Regeneratie van de katalysator

3) Flash 'destillatie'

4) Crude destillatie

5) Verwijdering van de lichte bijprodukten in destillatiekolom I

6)

Ve~vijdering van de zware bijprodukten in destillatiekolom 11 7) Absorber

1) Bij de reaktie wordt etheen met paladiumchloride als katalysator

ge~d~_~y~e~:rd tot aceetaldehyde .Het Pd++wordt hierbij g_~oxideel"d

}_L..-..

r

~ tot- Pdo dat met Cu~~dat in overmaat aanwezig is, tot Pd++ wordt

( ( gereduceerd. Het etheen wordt bij tien atmosfeer ingevoerd • .: De reaktievergelijking luidt:

PdC12. +

-C

2H4 + H20 + 2CuC12 ) C21I40 + 2H + 2CuC12

De reaktiesnelheid blijkt beïnvloed te worden door de aanwezigheid

van H+-ionen en Cl--ionen. (zie grafiek 1 en 2)

Er blijkt dat bij een andere dan de stochiometrische verhoudingvan Cu;Cl, de reaktiesnelheid verhoogd gaat worden bij een lagere

CI--io.nen concentratie.Een grens wordt gesteld door het neerslaan van CuCl, zodat de Cu:CI verhouding niet te laag mag zijn.

,

.,

De Ph van het systeem mag niet te la.ag worden.Daarom wordt- er Cu(Ac)2 ,een buffer, toegevoegd.

++

De~_ om~ettingsgraad van het Cu in de reaktor wordt bepaald door de vermindering van cle reaktiesnelhé::Ld bij een bepaalde Cl:Cu verhou-ding. (zie grafiek 1)

!~~~~~~_:~~_~~_!~~E~E~!~~E:

De reaktie is in fè±te opgesplitst in twee deelreakties:

( a) (b)

Bij verhoging van de temperatuur zal het evenwicht van reaktie (a) naar links verschQiven. ( exotherme reak~ie)De k van reaktie (b)

\ neemt dan toe. (exoiherme ïe~-ktie) I.

~~~~~E~~~!~~~: bij de hydrclyse van etheen over PdCl

2 \'!orden als

bijprodukt~n gevormd:ethylchloride, mono- en dichlooraceetaldehyde. De temperatuur en de druk zijn juist zo gekozen, dat het ontstane meng-sel water/aceetaldehyde niet kookt. (temperatuur 109°C;druk 10 atm .. )

ü

[

~

L

r:

r

fl

~]

n

n

n

n

-I

6

-2) ~~~~!!-~E~!~~:

In de regeneratiestap wordt het gevormde Cu+ geoxideerd met zuurstof ++

tot Cu • Zuurstof wordt toegevoerd in de vorm van lucht onder een

druk van tien atmosfeer.

In de afscheider ontwijkt de stikstof, de zuurstof die niet heeft gereageerd ( 10

%

),

en het aceetaldehyde dat nog in de katalysator-oplossing zit.

J) Flash 'destillatie':

In de flashtower wordt de druk afgelaten. Hierdoor wordt de kooktempera-tuur van het reaktiemengsel verlaagd tot 930C. Het aceetaldehyde

wordt op deze manier uit het reaktiemengsel gekookt.Hierbij wordt

ook een grote hoeveelheid water mee overgekookt.

Voor de verdamping van het aceetaldehyde en water wordt de reaktie-warmte gebruikt.

4) Crude destillatie:

In de crude destillatietoren vindt rectificatie pla&ts van het topprodukt (aceetaldehyde + water) van de flashtoVler.lIet percentage

aceetaldehyde in het mengsel wordt verhoogd tot

70%.

Ook de bijprodukten verdwijnen mee over de top.

5) In destillatiekolom I Vlorden de lichte bijprodukten, die beneden 200C

(;j'

kOk~~~-~~-~~~-~~~;;~ldehYdeJwatermengsel

gehaald. Dit gebeurt

onder totale reflux. Hiervoor is een totale condensor nodig. Het voornaamste bij produkt is ethylchloride.(kpt.12oC)

6) In ~~~!~!!~!~~~~!~~_!!t worden de chlooraceetaldehyden en het water van aceetaldehyde gescheiden. Het water verdwijnt als bodemprodukt, het aceetaldehyde als topprodukt en de gechloreerde aldehyden via een ~ijaftap.

7) In de absorber wordt aceetaldehyde uitgewassen met water, uit de stikstofstroom (12).

Algemene opmerking aangaande de condensors van de destillatiekol/(ommen: Daar de condensatietemperatuur van het aceetaldehyde en de gechloreerde

aldehyden bij 200C ligt of lager, zal er een koelmiddel met een laag condensatiepunt gebruikt moeten Vlorden. b.v. Freon 12.

---l~

L

.~

l :

[ 1

[~

~

n

II

U

[l

n

[l

~l

~

'1

Î

• J r 1 l J ' l I I J n l J

n

J

I

(

.

I l •

[

:

[

l'

[

:

[

:

[

:

1 .

rl

t J

~']

rl

[1

n

[l

-

6-V. Procescondities. !~~~~~~~::~~:::

De evenwichtsreactie (a), pg I.f, is een exotherme reactie. De evenwichtsconstante bij de heersende temperatuur en dru!{, is berekend met de Vlet van ft Hoff:

= .óHo / 2

r RT

De overallreaktiewarmte van de reaktie:

___

~> 1<:1090_C=5,44

---~) k 10oo_C

=-1--..I 6,1

is 58,2 kcal/mol •

...

' / Van de warmte komt bij de oxidatiereaktie 55.6 kcal/mol .,.-rij,

en bij de reaktie zelf

2,6

kcal/mol.

'-...:.--.

De evenwichtsligging van:

Blijkt in aanwezigheid

van Cl--ionen en bij hogere temperaturen, gunstige!' te Vlor-den. (zie bijlage

I).

Reaktiekinetiek:

Uit de literatuur blijkt dat de kinetiekvergelijking is: d(C

2H4) kK(PdCl;) (C2H4)

=

dt (CI-)2(H+)

De etheenc~centratie is bij de metingen de partiaalspanning

van het etheen boven de katalysatoroplossing.ln de bereke-ning is de etheenconcentratie gedefinieerd als het partieel

volume met constante druk.

++

De concentratie aan PdCl

4

kan door de overmaat Cu als

con-stant worden beschouwd.

De grens van de omzettingsgraad van het koper in de oxidator

wordt bepaald door de Cl/Cu verhouding en het neerslaan van

CuCI.

Bij bepaalde omzettingsgraad blijkt bij een lae;ere Cl/Cu ver-houding een steeds hogere reaktiesnelhej,d te horen.

(Zie grafiek 1 en 2) . De kans op het neerslaan van CuCl stijgt

daardoor. Uit de berekening (zie bijlage I) blijkt, dat een Cl/Cu verhouding van 1,65 en een omzettingsgraad van 0,35 van het Cu, het maximaal bereikba.re is. Lit is belangrijk in verband met de hoeveelheid katalysator die per mol etheen nodit:; is.

i

f ' r ,

r

:

[

~

r ' I

l

:

rl

l I

[1

n

n

n

-1-Uit de kinetiekvergelijkinc volgt, dat de reaktie van etheen met FdCl

4

,als een pseu~o eerste orde reaktie beschouwd kan worden,

1

in etheen en als een tweede orde rea.ktie in Cl -.

p

DeCI--ionen verlagen de reaktie snelheid, zie grafiek 3 waar de reaktiesnelheid is uitgezet tegen de conversie. Bij een steeds lagere Cl/Cu verhouding wordt de reaktiesnelheid groter, met als limiet de speudo eerste orde reaktie in etheen.

T

Een grens wordt gesteld doer ·het mogelijk neerslaan van Cu-Cl. (zie bijlage I)

Resumerend kan er dus worden opgemerkt, dat voorwat betreft de reak-tiesnelheid,een lage Cl--ionen concentratie vereist is, en

een hoge omzettingsgraad va.n het Cu ++tot Cu +, beide beperkt door het mogelijke neersla8.n van CuCI.

De temperatuur en druk in de reaktor is zo gekozen, da.t het

I

reaktiemengsel bij die temperatuur niet koekt.De druk in de flashtewE: is zodanig gekozen, dat het mengsel een temperatuur heeft,

hoger dan de bij die temperatuur heersende kooktemperatuur.

De druk is 1 atmosfeer,de kooktemperatuur van het reaktiemengsel 97oC. (zie grafiek 4) ,--'---'

De druk in de reaktor en oxidator is 10 atmosfeer.Deze hoge è.ruk is 1:

nodig om de oplosbaarheid van het etheen te verhogen en om het reakte volume te beperken, beperking van de bijprodukten en een goede

easverdeling.

De drv~ in de absorber is 2,5 itmosfeer,voor de motivatie zie

de berekening van de absorber.De druk in de afscheider is J

atmosfeer.

De temperaturen zijn steeds die,Vlelke bij een bepaalde molverhou-ding van het binaire systeem aceetaldehyde/water hoort.

(zie grafiek

4).

De temperaturen in de condensors ~ijn die van het condensatie punt bijl'1 atmosfeer.

Detemperatuur van het etheen. en de lucht is 25°C, omdat verhoging van de temperatuur tot verhoging van het volume leidt bij constante druk, hetgeen ongunstig is voor het reaktorvolumeo

~~_~~_!~_~~_~~!~!~~~!~E~E!~~~~~~ is ongeveer 2,1. Deze mag niet te

laag zijn,zie grafiek i. Cu(Ac)2 is toegevoegd, omde.t een

stochiometE~~ verhouding ~s toegestaan,en omdat het •

acetaat door zijn bufferehde werking de Ph constant houdt.

I

L

[

:

L

l :

[

[

C

[

:

n

[1

n

n

n

n

l.

-1-De eigenschappen zoals relatieve vluchtigheid enz. van de bijprödukten zijn gelijkgesteld aan die van aceetaldehydet althans waar dit in de apparatuurberekening toegestaan was. De relatieve vluchtigheid van ethylchloride

t.o.v.

water is uit grafiek

6

bepaald voor verschillende temperaturen. Deze blijkt 130 te zijn.

De relatieve vluchtigheid van de gechloreerde aldehyden t.o.v. water is ongeveer 15. Deze is bepaald uit de verhouding van de partiële dampdrukken.

l .

r •

l .

r:

[

:

r

[

:

[

,

[

:

n

n

[1

n

n

n

3

-VI. Motivering van keuze van de apparatuur en de berekening hiervan.

Het systeem is dat v~~ gas-vloeistofcontact. Als par&üeter

voor de verhouding van de stofoverdrachtsweerstand is een

gemodificeerd Hattagetal gebruikt. (lit.2)

(kc.

(CB)lD)-!-l),

is volgens literatuur.3 berekend uit:

.%3

Sh

= 2

+

O,58(Re)-!-(SC)~

Hierbij is aangenomen dat het etheen als bellen in de

vloei-stof zit.

Bij een beldiameter van 1 cm en een snelheidsverschil

gas/vloeistOf van 1

mis,

volgt daaruit:

~= 10 -5 .0,58. (

d

v )~

b

Verwaarloos nu de invloed van de C1--ionen, dan is:

>

'00,89 _9'

_ 0,008. 0 ,0028.10

=

~

-

-5

0,3

5,8.10

Bij een beldiameter k~Biner dan 1 cm, zeer waarschijnlijk

volgens literatuur3 , wordt ~ nog kleiner.

De invloed van de Cl--ionen is zo,dat de reaktiesnelheid

kleiner zal zijn dan boven beschouwd, dus ~ is in ieder

geval kleiner dan

0,3.

Resumerend: ~~~O,30 als de invloed van de Cl--ionen en de

kleine beldiameters wel worden meegerekend; dus de

chemische weerstand is bepalend voor de reaktie. (~~<1)

r:

L

[

~

r'

l

.

[

,

n

n

n

n

n

/ 0 -2.

=

e.the~r;

~~o-4

<z

~TrC-~-O-'-~-J-2.-0---~

1=

1Çté

q tySCl-t-o r. ~ X Q'l'1

Uit bovenstaande tekening,uaarin de reaktiesnelheid tegen

de conversie is uitgezet,blijkt dat de reaktiesnelheid

toe-neemt, omdat de (Cl-) concentratie afneemt en de C

2H.1. con. -centratie constant blijft.

(C

2H

4

)

=

(C~~4)O is de maximale oplosbaarheid,zolang er etheen

gasbelletjes aanwezig zijn. Daarom wordt er met een zeer

kleine overmaat etheen gewerkt, die gespuid wordt in absorber

twee.De maximale oplosbaarheid van etheen bij 10 atmosfeer

en 100

°c

is 4.10-4moleth/mol water.

De Cl concentratie neemt af vam/ege de reaktie:

(zie verder bijlagel)

De keuze van de reaktor: tank of buis ?

Uit bovenstaande tekening blijkt ,dat bij een hoge conversie

(9

8%)

,

een buisreaktor een groter volume nodiG heeft dan

een tankreaktor. (de reaktie snelheid is overal kleiner)

ê~~~~!~~!~~!~ bij een conversie van

99%

De concentratie aan aceetaldehyde zal in de tankreaktor

hoger zijn dan in de buisreaktor, waar de concentratie ove~al

lager is dan de eindconcentratie,zodat volgreakties naar

bv. chlooraceetaldehyden ,in de tankreaktor meer kans krijgen.

Uit de patentliteratuur blijkt, dat een buisreaktor,in het

Duits stromungsrohr genaamd, de beste oplossing biedt.

De conversie blijkt ook afhankelijk te zijn van de.::gasverdeling,

die bij de stromungsrohr optimaal is. (zie patentlit.215677

en 145602) (a) (b) (-R) (c) = kK(PdC1

₄

)(C

_2H12.

(H+)(Cl-)2 tot x

=

0,99 (het reaktievolume is variabel)

r

J,

[

:

r :

fl

[1

n

~]

n

n

n

- -- - - ---.-.,...----",....-..:-~. / /

-a,b,e ingevuld in de formule voor de gemiddelde

verblijf-tijd; ~1r

<7">

=

[dV

o

'/J_v lever~ v op een gemiddelde

verblijf tijd van 34 sec., bij variabel reaktievolwne. Bij een gemiddelde ~ van 170 lis en een doorsnede van

2 v

0,150 m is de lengte 40 m.

De diameter is bepaald uit een grafiek inpatentliteratuur 145602,zie in de bijlage,voor een tweefasenstroming.Uit de literatuur blijkt dat Stoszstromung de goede turbulentie en dus de goede gasverdelin8 geeft.Aan de hand hiervan is de diameter bepaald. Deze blijkt 43,7 cm te zijn.

Doordat de katalysatoroplossing corrosief is (Cl-), zal de rcaktorwand bekleed moeten worden met titaan,omdat een minimEal oppervlak uit kostenoverwegingen essentieel is. Voor de uitvoerige berekenin.:; vlordt verwezen nc>ar bijlage 11.

"

c:n~e4,'l "'<~~

.;.'"~.

~~j ~~~---~~

•

I)

I L •

[

:

[

-[

,

n

[1

n

fl

n

n

r-"1 J / 2 -De Oxidator:

In de oxidator Y/ordt de katruysator geregenereerd. Uit de literatuur is gevonden voor de afmetingen:

lengte 70 m

diameter 0,25 m, bij een temperatuur van 1000C

o en 10 atmosfeer. ~:t. , . - - - - 4 V~ ?.? c In reaktor: C2J!4+2C~CI2+H20 .. ,. :~: '--~) C₂H 40+2CUCI; + 2 H'" In de oxidator: + 1 + ++ 2Cu + 202+2H ~ H₂0+2Cu

In de reaktor blijft het totaal aantal molenrconstG."'1t.(7470 molis) L)c=134,5.55,5=7470 mol/s katalysatoroplossing.

;t;'

Molenbalans over de flashtower: (I)

(1 ) _{LO-; + L3 + LJd = V4 + L5} (2) L 1+ L 5

=

L Ja - 15, JO .' (J) _{L)d + L)C = L)b} ( 4) L 12 + LJb =L Ja

Van deze

4

vgl. Zijn de7nnbekenden:L5,3e,b,d, dus oplosbaar.

.: (1) LJ + _{L11 + L)d} = V₄ + L5 LJ=7470 molls L5=8271 mOl/s V4~190 mol/s

La

=161 moll s L)d=O,1L_3c ? L)d=8 30 mol/s L) =L 3mol/s . ., c

f '

t .

L

r ~

l.

~l

rl

n

n

Massabalans over de oxidator:

~ / 3

-(2) L1

+

L5

=

L

_3a

- 15,30

(molenacctunulatie ~02 ~ H 20)

L

3a

=

8371

mOlls

Er is aangenomen dat er geen temperatuurverhoging van de lucht optreedt. De drclc in de afscheider is 3 atmosfeer.

De temperatuurverhoging door de reaktie is als volgt berekend: x. A H.~ _{r mo} I _,e th

=

A T .C'O·~k _{- a} t

-3

0 582.0,99.30,9

=

10 .18.~ T .8272'--~) T

=

11,9 C buisre8ktor

40

m lpng diameter

43,7

en: van de oxidator: lene;te 70 m dia~eter 25 CID.

[

~

, , l .

[

~

n

f1

[1

fl

n

n

[1

r

-/'1-In de flash-tower wordt door de druk af

(J)

F

- - - ' - - - i j te laten het reaktiemengsel afgedestilleerd.

De demp stroom is hierbij steeds in evenwicht

met de vloeistofstroom S; het is als het ware

een destillatie bestaande uit 1 contaktplaats. De hoeveelheid warmte hiervoor is juist gelijk \ aan de vrijgekomen reakt:i.evr2-rmte. De

temperatuur-'l

.t

@

daling is juist gelijk aan de temperatuurstijging in het reaktor-gedeelte. ( ~12oC). De temperatuurdaling blijkt 120C te zijn, dus

\

er ontwijkt een damp V ,met een samenstelling zoals blijkt uit het

T x,y diagram (zie fig.4) en een stroom S.

-Er gelden nu 4 vergelijkingen:

(2) xf.F

=

xS + y.V ( F

=

V + S - R + L_B )

( 3) Y

= "-

x

1[1

+ (c<. -1 ) •

yJ

_{de evenwichtsverc;elijking.}

gegevens:

bij 1000C geldt ei= 100 (aceetaldehyde t.o.v. water)

F,R,S,L_B volgen uit de massa.balans. ( voor samenstelling zij m.b.)

4II _v

=

b.E _v,

rI

0.(1-y) +L\H A H .(y)

1.

2 v, .. e

ÁH _r

=

5B,2 kcal/mol

F

=

190 mol/s

_P

~ _{rnol2, 0} - 30,9 _- mol/s

R

=

830 mOI/s S

=

8271 mol/s

L

8

=

161 mol/s

Uit (1) V ~ 552/(3,03-y) en (2) volgt een relatie tussen y en x.

Samen met 3 levert dit op: x

=

0,00105 Y

=

0,12 V

=

190 mol/s

Hiervan is 190.0,12

= 22,B

molls accetalc1ehyde.Uit de literatuur blijkt dat de scheiding verbeterd kan worden door een reflux vanaf de

afscheider ( stroom 3d).Deze stroom zorgt voor een strippende werking.

De scheiding wordt hierdoor met een faktor 1,27 verbeterd; dus er

ontwijkt dan : 22,8X1,27

=

29,15 mol/s 8.ceetaldehyde en 160,85 melis

water.

L

r' l ~

L

L

L

[

:

[

.

i1

l J

;1

[]

[1

n

n

-/S"-3) De Crude Lestillatie (C.D.)

---stroom molis warmteinhoud

F 190 2003 L7 276,20 382,3 Lo 172

°

G t 215,7. 1618 F@ L 11 129,73

°

Reflux 4 D 43,7

°

koeler 1625

In de C.D. kolom wordt de damp F, die 0,153 deel

aceet-aldehyde bevat opgewerkt tot damp (G

t) die 0,7 deel

aceet-aldehyde bevat. De C.D .kolom bevat geen kool{ketel, de be-nodiede wa.:rmte wordt door de condensatiewarmte van het water geleverd. De damp wordt dus ontdaan van de zware komponent en daarvoor in de plaats komt de lichtere,het

is dus in wezen een rectificeer kolom. Een warmtebalans

over het apparaat levert een relatie op tussen R en ~.

kcal

Uit de berekening van de absorber volgt dat: L

11

=

129,73 molis.

'.'.'armtebalans over de kolom:

(1) [(1-y')F' - {1-Y_{t)G t}

J

AHv,H20

=

[Lo.~+L11·x11-Lb·xbJ

.1 Hv,AcH

Hierin is y de fractie AcH en (1-y) de fractie H

20, die

niet eelijk is aan die in de

o

temperatuur van 20 C heeft,

Dit blijkt te zijn:

[( 1-y t )F-( 1-y)G] 6 H_v,H 2

0

voeding, omdat stroom 11 een zodat eerst water condenseert.

Y en T zijn verbonden via de dauwptmtscurve

Y_t

G = - . F

Y

y'=O,165

F' =176 molls

Conclusie:er zijn 14 molen wa.ter gecondenseerd. Alle dam-pen en vloeistof zijn nu op kooktemperatuur.

1

1

r '

l.

L

!

:

[

:

[

:

r '

[

~

r '

l

,

r

1

L J

fl

n

r

Nu geldt weer: vgl. (1) Hierin is:

(2)

( 3) zie boven yF = Dxn + Lbx_{b - L11}X₁₁ F = _{D + Lb - L11} ,61I. H

°

H= 40;66.27,2 kJ/mol v, 2 ' Ac yF = 29 mol AcH/s

Lo~ = reflux AcH

~ = 0,001 gesteld . Uit vgl (2) en (3) volgt: -3 Lb D=30,6.10 •

-/6-~ D=319,6-L b

]

Lb = 319 6-

_,

~

_~ Ui t (1) volgt: [147 - (1-Yt)(R+1)D] 40,66 D

=

30, 6/~ 1-~ [147 - --.(R+1).30,6] 1,5 = . ~ (R+1).30,6 - 29 )

hl1

_{= (2/3 + - - )} 1-~ R+1 _~ G t ~ D Lb R Lo 210,8 . 0,6 50,8 268,8 3,15 160 215,7 0,7 43,7 275,9 4,05 172 230,2 0,8 38,2 281,4 5,03 192

Gekozen is de tweede serie uitkomsten, ~ =0,7

~~~~~~~~-~~-~~~~~~-~~~-~~-~~!~~:

De diameter werd bepaald uit de optimale werking bij het loading point. Daar de vloeistof/gas belasting door de kolom heen varieert, i s dit gedaan bij de maximale i;as/vloeistof-belasting;daar een snelheid moet resulteren lar;er dan het

flooding point .

I

i

.-,1 I ;

I

_I

i

I

I

I

I

I

I

I

r , L J

[

. -,

I

'

[

, r "

r

'

l I r,

~]

l J G t = 215 mol/s = 62000 lb/hr Lo = 172 mol/s ~ 49,800 lb/hr

Uit grafiek 18-28 Perry volgt:

1 ~ = (P/0,075)2=

4

2 Indien D

=

1,33 dan"is F=1, 39 m

1 7

-G/~ vs log~P - --1

G/f/>'1,

39.10; 78 , 15",500 / 1,39.10,78-1040 lb hr.sq.ft Lo = 49.800/(10,78.1,39) = 3320 lb/hr,sq.ft

Dit is in de buurt van het loading point, zodat de kolom

optimaal en stabiel werkt.

In de condensor ontwijkt een damp van het overGebleven etheen

met l,cH. Het AcH wordt via absorber I I weer teru.seevoerd in

het systeem.

De hoogte van de kolom is berekend via de hooste van een

transporteenheid (rI.T .E) en het aantal transporteenheden (N )

o.g

"Het aantal transporteenheden:

2.3 1 Yp(1-Yo ) 231 (1-Yo) ~ • og (1- ) + t og 1-v ~-1 Yo yp ~p lito Perry 13-29 y ~O,01 de ondergrens o y =0,6 de bovengrens p ~ =100 AcH tov. H₂0 Uit de berekening volgt dat

G (Re)d(Sc) H.T.E= k _y.a. S= _a. ( _Sh ) d N =0,915 o.g (1) H.T.E

Als kolomvulling zijn Berlse zadels gebruikt van 1 inch.

Voor ge~evens zie Perry 18-35.

a=79 ft_

=

252 m2/m3 ft.) d=10, 7.10-3m

-6 3

~ =0,5.10 m /s J[) =10-9m2/s

r •

r

r

[

:

r •

[

:

l,

r '

I

_{, J}

n

II

~l

n

n

n

l . H.T.E

=

12,9.vO,2 D=1,33 m v=G/S=3,36 mIs

De hoogte van de kolom:

/ i

-H=N _o.g .H.T.E = 0,9.16,8=15 m

~!~~~~~~:!~!~:!fL~::~_~~_~!~~~_~'~~~~!t~!~!:: Hoogte 15 m

diameter 1,33 m

I

l '

r

-I

[~

r

r

r

r

~

l.

r

[

~

( I

f

~

0

fl

n

n

~

n

n

n

(12) N 2=69,70 mOlls AcH = 1,6 mOlls Yb=0,022J y t::O,0001

-'3-Xb= - ;afh. van de hoeveelheid

L .

,\v \ : ; water, nodig ·voor de absorptie,

\ C

,

"-) nog te berekenen x

t =0, 0001

De temperatuur voor de absorptie is 20 oe, zo laag mogelijk i.v.b. met de vluchtigheid van AcH t.o.v. ~20.

De druk: bij 1 atmosfeer ligt de evenwichtslijn (e.l),boven de werklijn (w.l), zodat er transport vane.f het fasegrensvlal~ GIL zou optreden. Dópr het verhogen va.n de druk wordt de hel-ling van de w.l.:> en die van de e.I. (.

De absorptiekolom is uitgevoerd als gepakte kolom.(met Berlse zadels van 1 inch)

De gas/vloeistof belasting is dus bepalend VOor een stabiele en optimale werking van de kolom.

4

G = 1,6.10 lb/hr.

Voor de berekening van de dru.1<: en de diameter is gebruik ge-maakt van een grafiek uit Foust,Principles of Unit Operations pg 270.Uit de berekening volgt dat de druk 2,5 atmosfeer moet zijn in de kolom. De diameter van de kolom is 1,6 m. Voor de uitvoerige berekening wordt verwezen naar bijlage 111.

Als criterium voor de oplosbaarheid van AcH in water, werd de Henrycoëfficient bij 20 oe gebruikt. Deze is uit tabel gegevens berekend.

H

=

206 ('mrn Hg2.

=

_{206. 102 ._1_ =} J 05 !;;.a.tm 0,088(mol fractie) 8t8 760 '

Indien P

tot de totaal druk is in atmosfeer, dan geldt bij bena-dering voor de evenwichtslijn:

y - ~ -- J,05 x - P tot - P tot •

L

l

~

r .

!

r . r ' l •

n

2 0

-r.~ethode ter bepaling van de HoT.E.(Foust pg 281)

Aangenomen is dat de stofo ,verdrachtswecrstand zich in de

gasfase bevindt. Er geldt dan een analogierelatie:

,(SC_NH ) 2/3

=( (-Sc 3-) . AcH

Uit de berekenine volgt dat: (kg.a)AcH= 1/1,15.(k .a)NH

g 3

(H.T.E.)NH = 1.25 ft bij 1 atmosfeer.

3

Uit literatuur 8 volgt dat H.T.E.

=

k G P

:&ea,~ tot.S :H.T.E·)ACH={HeT.E·)NH 3 • 1,15/2,5 N t

=

aantEloverdrachtseenheden := ( _ _ L\l \'"' = 0C75 Ï t '\--\ '- ,

20, bij absorptie tot het snijpunt van w.I. en' e.l.De methode van Baker is toegepast.

Zie grafiek 8.

De hoogte van de kolom wordt nu: H

=

H.T.E.N

t= 0,575.20~3,5 m.

L = 1,83 G = 128 mol/se

Ook voor de berekening van2DNH naar bijlage 3. hoogte

3,5

m diameter 1,6 m druk 2,5 atm. 3 en {Sc)NH wordt verwezen 3

kolomvulling: berlse zadels van 1 inch.

-L

I

l .

L

r

f

.

I

:

I j ~l l .

Il

n

n

r

F

- -

I

2 / -5) Destillatiekolom I: Cf, (10) (15) ( 13) F

=

43,7 molls K

=

42,65 molls D

=

1,05 molls

Voor de samenstelling van de

verschil-lende stromen wordt verwezen naar tabel

1, zie verderop.

In deze destillatiekolom worden de bij

pro-dukten verwijderd die koken beneden 20 oe.

Dit is vnl. ethylchloride eh sporen CO 2 • Ret

CO

2 dat mogelijk in de oxidatorwordt gevormd,

is totnogtoe niet in de berekeningen

meege-nomen, omdat het slechts in sporen gevormd

zal worden,uit het etheen dat opgelost is in de

ka.talys8..tor-OPloSSin~~n vanuit de flashtower IDee terur; gae.t na.ar de oxidator. De refluxverhouding in de kookketel is gesteld op 1

(G1/K),

om iets te kunnen zeggen ve.n de hoeveelheid warmte, die voor de totale condensatie nodiG is,omdat dit dezelfde hoeveelheid

warmte is , als die welke in de ketel wordt gesuppleerd. Door het grote verschil in vluchtigheid van H"O en <- AcH, wordt

aangenomen dat de dampstroom G₁ vnl. uit AcH bestaat. m.b. over de ketel:

₌

_{K + G1 }} ..

'. L =2 rl.

. 0

=

1 _K=42,6

Lo=85,2 molis; _G1= Lo-K=42,6 molls

In de ketel moet dus gesuppleerd worden:

G1.~Hv,AcH=42,6.6,53=278 kcal/s

molls

J

Dit betekent dat de hoeveelheid warmte die in de condensor

moet worden afGevoerd m.b.v. Freon, ook 278 kcal/s is, omdat het ,

verschil in warmteinhoud tussen stroom 10 en 15 nul is.

I

l .

[

~

!

.

r . I r .

l.

n

n

n

n

r

2 2 -~~~~~~~~~~_~~~_~~_~~~~!~_~~~_~~_~~~~~tm.b.v. de methode van

Fenske, te gebruiken voor ternair systeem, bij totale reflux. Gesteld wordt dat de verontreiniging bestaat uit:

tabel 1 komponent

ethylchloride 1 molls kpt 12 °c

gechlor.aldeh. 0,55 molls kpt 70 °c

(10) voeding (13) produkt (15) bodem

F molls x f D molls xD Kmolis ~

cL

EtCI 1 0,023 0,9 0,9 0,04 °s001 130

d..

_A AcH 29,05 0,667 0,1 0,1 29:0 0,666 -H ₂

°

13,1 0,30

°

°

_{13,1 0,334} CIAldeh. 0,55 _0;55 q=1, vloeistof op kooktemperatuur (20 °C)

Voor de achtergrond van de gebruikte formules wordt verYfezon

naar Couls. en Richardson 11, pg

416.

Ethylchloride is de heavy key, AcH de light key. vgl. 10.171.

_ciA

_,xff.. of-c<.-n - e 130.0,023 130-9 ~B' Xf8 o{B -

e

_{rLc. _ e} 100.0,667 1.0.2 =0 + 100-9 + 1-9

-100 L9 L130 --~> 9=128,75 is een wortel van

deze vgl.

9 ingevuld in 10.172 - - r - - - -QR' ~n

+

<i..fl -

e

100 1

Hieruit volgt R _m =92,4 Dit betekent dat voor de scheiding een totale reflux noodzakelijk is.

Het aantal schotels kan nu eenvoudig worden berekend volgens de vgl van Fensk~, die geldt voor totale reflux.

n+1

=

10gf

r;ç)nR)K]

=

log(0,9/0.1)(0,666,(0,001)= 33,9

log 1,3

n=32.9 dus n=33 i9 het aantal schotels nodig

voor de scheiding.

dB

L

: ' l _

r'

! l ,

I

'

L

-L

L

f~ f '

I,

r

rl

t ,

[1

r ) l

!

n

n

r

n

l ,

~

,

- 2..3

-Uit het feit dat

d...

_AC enctBC zeer groot zijn, resp. 130 en 100,

volgt dat water niet bijdraagt aan het schotelgetal. Uit het x,y-diagram (AcH-EtCl) ,is in dit geval ook zeer eenvoudig het aantal schotels te berekenen dat nodiG is voor

de scheiding, omdat we hier te maken hebben met totale

re-flux .. De werklijnen vallen da.n samen met de lijn y=x. Het

aantal sch0tels berekend volgens de methode . van Fenske, komt

geheel overeen met aantal schotels berekend volgens de methode

van Mc Cabe en Thiele in het x,y diagram.

Berekening van de diameter van de kolom:

---De maximale qelasting is 94 molls EtCl, dit komt overeen

3

met 2,1

mis.

Bij een gassnelheid van 0,5 m/s en een s~hotelafstand

van 0,5 m is de hoeveelheid entrainment minimaal.

v= GiS ) _S

=

_{G/v == 2,1/0,5}

=

_4,2 m • 2 de diameter is 2,31 m.

N.B. Hier verdwijnen ook de sporen CO

2' die nog aanwezig zijn over de top.

hoogte 16,5 m. diameter 2,31 m

aantal schotels 33

11

L

L.

L

r

1-I ( . [ -1 r -, I ( ,

n

n

n

n

n

2 , ' 1

-6) DestillatiekoloD 11:

Het aantal vrijheidsgraden bij een schotelkolom i s 4.

Hiervoor is gekozen:

gehalte AcH in topprodukt (:!: 1) H 20 in ketelprodukt (1) R=G o xS=gehalte Vlater in S Q =G t=(R+1)D H =353 kcal/s c v 5~-29 R=Lo/D= 529 -0,86 Componenten: A=AcH =100 B=H 2û =1 C=ClA.cH =15

De kolom is in drie gedeelten uitgerekend. I enII vormen het strippende gedeelte, deel 111 werkt rectificerend. Voor alle drie de delen is een werklijn opgesteld, die varieert per gedeelte.

I

dit volgt uit-'-:

Lk+1·~+1 + y .G _o 0

=

GkYk + L1x1 I I

lL rC;

L Y G - L1x1 k+1 Yk =-ç- + 0 0

S

Gk

ï

I _Lk+1=L1

I

RI

I

_I

_Gk=Go

- -

-

-'L, '10

Veronderstel nu dat de molenstromen in dit gedeelte van de kolom niet veranderen. Dan geldt vgl. I,de massabalans over het onderste gedeelte van de kolom.

l _ r • I L _ ( . 1 r . I (

f :

r'

I:

n

_{L J}

r

tabel 2 komponent H 20 AcH ClAcH S+L 1 (15) voeding (14) topprodukt Fm/s x f Dm/s ~ 13,1 0,307

°

°

29 0,68 29 1 0,55

0,01

13

° °

L' x + y G n+1 11+1 0

°

L' G_oY_o-SxS-Lx1 Y_n

=

GfXn+1 + G' L' ;; S + L G' ? G = G o G oY 0 -SxS-L'₁ x1 Y ... G _n .x _n+ 1 + Go o

,

.

L Ci _F

~_lJ

__

t,

t.

1

L,

So

-2.5"-( 17) bodemprodukt ( 16) zij aft.

Kmls _~ Smis X

_s

12,55 1 0,55

0,5

0

°

°

°

°

°

0,55

0,5

)

geldt voor de i-component.

y G t . + L x + Sx

=

L" x + G Y + FX f m 1 1 S m+1 0 0 i-component G y +F -L 1x1-SxS o 0 xf __ ~ ____ ~ G" ) L 1+S-F Ym= G .X_m+₁ + GoYO+FXf-L1X1-SxS Go o i-de-component i-de component

Zo ontstaan er voor ieder gedeelte 3 werklijnen, dus 9 in totaal.

j

.

j

I

I

1

j J.'

I

,

1

JI

f

·1

1

I

1

•

I ' l , ! ' I l .

L

r ' l . r • r . l .

fl

l )

[1

f1

n

l:

r

G =40 molls o I) II) {y==1,32 x)A {y=1,32 x)C ( y=1,32 x -O,314)B {y=1,34 x)A {y

=

1.34 x - 0,328)B ( Y

=

1,34 x -0,012

5)c

lIl) ( y ~ 0,275 x + O,725)A {y

=

0,275 x)C ( y = 0,275 x)B

-26-Hierbij is constante r:lol_enstroom a~m8enorr.en. Dit is gerechtvaardigd, als men beder>...kt dat de A H van Pc en B,

v

die in het grootste gedeelte van de kolom gescheiden worden, ongeveer gelijk zijn.

Te berekenen of bekende stromen zijn:

L1, S, F, Go' Yo' x_{f ' x1' xs '}

Geëist wordt een zo zuiver mogelijke scheiding, om het" produkt

goed verkoopbaar te maken. massabalans voor H 20: yoG_o+ Xp.F

=

x_{1.L 1} + S.x_S G + 1),1 = L 1 + x~.S o 0

massebalans voor CIAcH:

+G_o

L1

=

13,1 - 0,55

=

12,55 + Go

0,01'3 1.) 7

=

L

L

L

[

I

:

r

L

( i

I ]

n

n

n

n

AcH H 0 ClAcH

-21-tabel _~ L 1 S F G 0 A 29,05 B 52,55 0,55 13,10 40 C 0,55 0,55

Hierbij is G 40 molls genomen.

o Yo xf x1

°

0,680

°

1 0,307 1

°

0,013

°

Evenwichtsgegevens? Deze zijn bepaald met de methode van Underwood en Fenske uit Chem. Eng 11 pg 407 •

lG

m _lLm+1

cl.

x .

m _{Er geldt y .} l. m,l.

fG

m+

1

1t

nu _==f(C{Xm)R m waarbij i ::: index component

R ::: sommatie index over 21le cornponenten.

Bij deze methode wordt de kolom berekend van onder naar

boven. Voor de samenstelling van het ketelprodukt wordt

verondersteld; _10-7

x₁

_,

A

x₁ B ::: 0,999 Dit is bij benadering

,

x₁ C ::: 0,001 bovengestelde (0,1,0)

,

tabel 4 x 1 x1 ·

Cït

Y1 x2 ~ -.,.. A

-

-

-

-B 0,999 0,999 0,9812 C 0,00:1 ,- 0,015 0,0148

xs

t

t

°

het

x₂ wordt nu met werklijn I voor iedere component berekend.

Dit gaat zo door tot samenstelling S is bereikt, dan werklijn

II tot samenstelling F, dan overgaan op werklijn l I l .

-~

1

°

°

1

i

I

:

1

'

L

r

~ r '

L

r I ( ,

[1

[1

fl

,

Il

1

Er wordt doorGeeaan tot de opstijgende damp een hoge graad van zUiverheid heeft bereikt.

Zie grafiek 9, waar hetschotele;etal als functie van de

samenstelling is uitgezet.

De scheiding is zo ingericht dat in gedeelte I en 11

de vloeistof wordt gestript en in J wordt gerectificeerd.

In I wordt de vloeistof gestript van CIAcH (op een na de vluchtigste). In 11 wordt de vloeistofstroom gestript met ClAcH en H

2O. In 111 vindt rectificatie plaats dampstroom, ClAcH en H

20 worden er uitgehaald. De eis is dus dat er Been AcH in het ketelprodukt daarom is x₁

_,

A zo klein mogelijk genomen.

De samenstelling van het topprodukt: A

=

0,9999

B

=

C c 0,0001

van de

aanwezig

Het aantal theoretische kontaktplaatsen is

21.

De

entrain-ment en de efficiency worden beinvloed door de gasdoorzet,

per oppervlakte eenheid. G in de kolom.

In de berekening is aangenomen dat G constant is door de

kolom, in werkelijkheid zal deze variëren •

is,

.6H_{v ,ACH -:::::AHv,CIAcH}

=

2/J.óHV;H.2₀ zodat de molenstroom

damp boven de vierde lcolom vrj.jwel constant is. (60 molIs)

p

=

1 atmosfeer. G - 6.0,224 -_{_. • S -}

~als

_S Uit lit.

9

pg

254

volgt het entrainment.

v=1,34

mIs

v=442

Ït/s

de entrainment is minder dan

1%

bij een afstand van

24

inch. 24 j.nch

=

60 cm

r 1 I l , r . I • L ,

! .

l

l

[

, l ,

:1

'.

rl

n

n

Efficiency als functie van de gassnelheid.

De gassnelheid bepaald de contacttijd en dus de stofoverdracht en daarmee de efficie~cy.

Voor het systeem ClAcH, AcH zijn geen gegevens te vinden met betrekking tot de moleculaire stofeigenschappen.

Er wordt aangenomen dat de visccsi tei t gelijk is, de relatieve

vluchtigheid niet. (kpt ClAcH=85 °C, van AcH=20 °C)

De overall efficiency is gelijk genomen aan de schotel

efficiency,(varieert van 90 tot 70%, volgens grafiek 18.22

uit lit 9) zodat de overall efficiency 80% wordt.

Verhogine van de gasbelasting doet de entrainment toenemen

en de efficiency afnemen, zodat G =40 aa..'1eenomen is.

o tabel tl , G H (m) S (m2) EO n th n 0 pr 40 15,6 1 80% 2'1 21/0,8=26 40 13,8 1,5 90% 21 21/0,9=23

Gekozen is voor H

=

14m n=23 schotels D=1,38 m

warmte balans:

"

JO (. F hoogte 14 m aa.ntal schotels 23 diameter 1,38 m

invoer voeding tussen schotel 10 en 11

zijaftap vanaf de 4-de schotèl.

entrainm. 1%

;%

I

_f

I

I

i

!

!

I ~

i

j

I

1

I >

l

_~

[ , I L ~

['

r . 1

r

I

.

ï

I )

r

n

3 0 -7) Warmtewisselaar:

_Hll

Er is een warmtewisselaar nodig om stroom 9 (H₂O) af

te koelen V8.11 96 tot 22 oe.

Af te koelen 128 mol/s == 2,3.10- 3m3/s

Hoeveelheid af te voeren wa:r'mte:

=

~m·ep.(Tin-Tuit}

. 5

=

2,3.4,19.10 3.(96-22)

=

7,17.10 J/s

=171 kcal/s.

Berekening van het debiet van het koelwater:

T

=

20 oe in o T_uit

=

40

e

3

7,13

=

~ .4,19.10 .(40-20) m

~

_m

=

8,55 m3/s

Bepaling van het warmtewisselend oppervlak:

U=1280 J/sm2oe (zie

C&R

pg 269 deel

I)

~w= U.A.(ÓT)l _og.gem.

5

7,13.10

=

1280.A.16 - - 4 )

Berekening ven het aantal pijpen:

pijplengte = 3 m

binnendiameter = 20 mrn

2

oppervlakte van 1 pijp =7G'.0,02.3=0,188 m

A

=

35 m2

Nodig 186 pijpen van 3m 12~g.

Berekening v~~ het Re getal:

-3 7lD2

snelheid in de buis: ~,,= 2,3.10 /186

=

Tov

v

=

0,4

mis

)

Re

=

f

2

0d

=

8000. Turbulente buisstroming.

186 buizen van 3m lang.

20 m~ is de inwendige diameter.

35 m2 is het uitwisselend oppervlak

Re

=

8.000

o

oe 22 200

_c

lrI -=

~

S""

Lis

°

e proceswater

I I

l.

I

l _ f '

L

[

,

I

'

l

r l l , r ' I t J

: 1

~

1

f1

. [l

I

J - 3 /

-.-Voor het comprimeren van het etheen ()1 mOl/s), is een

compressor nodig.

31 rr,ol/s, 1 atm.,20 °c = 1,91 lbs/s, 14,7 pai, 68 oF

1,91 lbs/s, 14,7 psi, 680F ---~) 1,911bs/s, 147 psi, 320 oF.

Volgens het Mollierdiagram voor etheen.

(zie MilIer pg 165)

~oF = 320 - 68

=

252 oF

=

140°C

t>.H = 1200 - 1090

=

110 btu/lbs

=

61 cal/gr • .

Het vermogen van de compressor:

Pe

=

~ .AH

=

31.28.61 = 53 kcal/s

=

222 kJ/s = 222 kW.

m

Pas

=

peil

tot =222/

t

=

444 kW.

De temperatuur die het etheen dan krijgt is 160 °Co

Warmtewisselaar voor het koelen van het etheen:

o I

29l.

'...ut

.go~LI.vC( I • -ter:

7/~1 "'~o C ï;;, I 0 T.. :: 20 (. m .62. _ft. 0 ' " ) Tuii =2..5" 't <!'tJ,t:~1} L...J---1---L-_~::..::-.~ ' - - - '

°

De T Ot van 28 C voor het koelwater is gevonden door

Ul

optimalisatie.

De hoeveelheid af te voeren warmte is 53 kcl/s (zie boven)

Berekening van het debiet van het koelwater:

~w = ~m·Cp.(Tuit-Tin)

53.103

=

~ ~1.(28-20)

_m -~> ~m

=

6,62 lis

Berekening van het warmtewisselend oppervlak:

~

=

U.A.AT

w log.gem. ~T log. gem •

=

,h....tI/41

_ 0,135(132-5)

_ . lOg(T)

Ä Tl =38,8 °c

og.gom.

, l ,

l.

[

~

r ' l .

[l

n

n

n

n

A

=

53 = 98,5 0,01 39.38,8 2 m

Berekening van het aantal pijpen:

2

De oppervlakte van 1 pijp is 0,188 m •

(zie ber, warmtewisselaar onder 7)

aantal pijpen:530

Dimensionering van warmtewisselaar:

530 pijpen van 3 m lang

binnendinmeter van 20 mrn

uitvtis~:;elend

oppervlak 98,5 m2

-32-[ , L~

[

~

[

:

I '

[

:

[1

n

n

n

n

n

:~

\

De condensor van de crude destillatielcolom is een partiële

condensor. .

3 3

-De overmaa_{t etheen die niet gereageerd heeft,krijgt hier de}

kans om het systeem te _{verlaten. Deze hoeveelheid zal in de}

praktijk uiteraard zo gering mogelijk _{zijn, in theorie is}

deze hoeveelheid nul. Het etheen dat het systeem hier verlaat

neemt aceet~ldehyde _{mee, dat geabsobeerd kan worden}

in water,

om weer in het systeem te worden terugge'Voerd. Via leiding

(21) wordt het gasmengsel _{onder in de kolom geleid en via}

leiding (8c) , komt _{het aceetaldehyde in ~ater opgelost, weer}

in het systeem.Het etheen verdwijnt via afgas

(20).

Omtrent de hoeveelheid is niets te zegcen, alleen da.t deze

ui terst gering is. Ook omtrent · de hoeveeJ.heid aceetaldehyde

die meekomt _{is niets te zegt:;cn.}

re hoeveelheid _{water die nodiG is voor het absorberen}

van het

aceetaldehyde is eelijk gesteld &ein _{de hoeveelheid te suppleren}

water, n1. 13 mol/stvia leiding (22). _{Deze hoeveelheid. gaat}

recht-streeks naar de flash-tower, na op een temperatuur _{van 97°C te zijn}

gebracht.

De afmetingen _{van de absorber zijn zoals uit bovenstaande}

blijkt niet te bepalen. Viel ~ordt _{verwacht da.t hier kan worden}

volstaan met _{een absorber die klein is in vergelijking met}

absorber 11. Dit wordt _{althans gesuggereerd door flow-sheets}

I

L

@

~

[

'

r

r

r

[~

[

;

l

:

r

C;

n

n

o

o

n

n

n

'~

- - - - -IN VOORWAAflTS

JA

q

M

_Q.

~ 30.,9 2..-/

~'t$

~ @J

.

_-

;z'l//o

//.17//

.

lOl

/;10 ---~-Zoo3

@

-.-

----_.

" : -@

_..

_-

_cPgtl

~

.

.yso

-

--,--/ I li"'1

1/

7 1 - - - -f-- .-,.

k4~~

~

f - - -

----0

~

It

@j~&!

/3.300

-I

-•..

-1--

.

_---

I---=r

---

--

1

.

-.----

_-

_-'T

@r

E

-

r---j

-

-

-

.

_---:~~f;

~3-l%~~_-'

.

_-

-

_

.

_y

--

-RElO

U

R

IN

UJT

-Jlf-M

_0..

M

_~

fL- ' _~ E

IJ

}( Î 0

_®

.

llf19

_//!lJP

R.-~r-'- de

®

IL

F

@

tf30 /330 L ~

17

t!-

I "'- I 5'

-

_I

/-j I j

-r

_~

_--

_I

0 _I

w

I

13

IL

f - -

--

r-- - --

'--I

@

_f------

_I

,

- -

_I

0 )( ./ f -:P

_

.

_-!l

I

_-

--r

_-

_I

0 _{I i}

k-

@

r---!

L.,_

f\

@

.- --

I

@

--

f!Joo

/3·300 j ~ ~

I

S

. E

~

I

r

I(. I - - - I -

--

I fi

~

Lt

/6/ !.2Ql,/..e I

!

T

6l~

---I

! 0

-I

/{.

/3

I

~

_~J

.

.

~~

I r - -

.~

jM

I ~.s-C? _I'-

I

___

!(

_,

_/b2.;

ti .!. • ....:...:. __ ._ - - 1 7J ,I; : E r--- _I

1

--~~

: J) 1----' i /2-

e

~--

1---

-S , T

r

---

i I

L.

- ~-_ ... ~ ~-...t ~

D

_-

--

_-

_-

--

-~ -

-t

-J_--t-~---l

--

-~

.-.

--!--

-

--

-

-

-.--.-~--

-

.

]

----

_..

~-

-

-~····

1-35-t-

·

.-~-

·

-i----·----f---~--

·

lLl.

_

_

.

..

1

~----

_=--=t=

_-

_{_.}

-==

4 - - . _ - 1 _ _ 1 _ _ . -- ·- - - · - 1 - - - 1 - -- - t - - - 1 J.-.---l---~---- -1-_4--_~ - . - - ! - - - -.

--n

- - - -

---+

.--- - - -- ---~ ! -

-r

_

___

..

---"--__________

1 - - -

---L----~--

.

---

.

r ' I l _ r ' I I I. r '

l

r

1 l .

-[

;

f1

n

n

n

I j

I

I , I

r ' I l . ! .

l.

r'

( r . r • I

I

l.

r

1 l;

~

1

[ 1

~-n

rr

r

r

'r-I

r-rT}~fT~'l

~.i~--+--f--­

I

+fIfil

-®

Lr-.

i-_;-_

-__

.

~-,l++-if-4+-+-I4fl4-+-l- -- I - ---Q\J

~

~

I

~

~

~

~IJI

~

~ ~ ~ ()~ ~~ ~ _!-'·';-+--+--1-~+-I--·i--l--l--l'--!--+---l--+--:-+--I-I--+--4-·i-.J..--+

I

- --I--t -..

-r ' l.

L

L.

[

[

I.

! ' I l . [ 1

l .

[1

n

n

VIII. Enkele kostcnaspe;dcn:

Dat het tweetrapsproces duurder is dan het eentrapsproces,

wat investering betrefd,liet vOGr de hand. ~cn heeft twee

reaktoren nodig en duurdere ree.ktormaterialen.

D&8T' staat te~enover dat men bij het 2-trapsproces geen 02

nodig heeft. De post lonen en s?larissen is onafhankelijk van het procestype en de capaciteit. Dit levert wellasere kosten per eenheid produkt, blj grotere fabriekscapaciteit. Uit het Wessel no~ögram pg. 35 (lit.17), i s af te lezen dat

men· moet beschikken over 100 manuren per dae;. Het aantul stappen in het proces is gesteld op drie. Dit betekent voor

een personeolsbestand, e;ebaseerd op ploegendienst van 8 uur,

12 man. Hetgeen neerkomt op een loonpost van 1 miljoen Gu

l-den per jaar.

-38-De kosten van het etheen kan gesteld worden op 250 gulden pe~

ton. Over de prijs die aceetaldehyde opbrerft is weinig met zekerheid te zeeLen, on,Jat het aceetaldehyde bijna altijd door

hetzelfde bedrijf wordt verder verwerkt. De prijs die men op de open markt rroet betalen is vaak hoeg omdat de hoeveelheden

klein zij~. Een redelijke schatting van de prijs lijkt 500

gulden per ton.

r,:et de methode van Zevnik-BucÎlane.n is een Scfl8.ttinC t;af!lD.2kt van de investerü:een.

Gegevens nodiG voor de schatting VéL1'1 de investeringen;

a) capaciteit '0.000 ton/j

b) constru.'üiekostenindex Cl = 1750

c) het aantal ftL.'1ctionele eenheden is gesteld op drie: reaktor, destillatle , absorptie

d) de complexity factor Cf

=

6,74. Deze factor is betrokken op ds

zwaarste omstandigheden waaronder de hele fabriek V/erkt.(10 atro.corro) Dit moet een compensatie vormen voor de zeer dure reaktor, die

niet dubbel is gerekend bij het vaststellen van het aantal e) de investering per functionele eehheid IE

=

$ 1,2.106

6 1750 ~ 6

de investerinG I == 3.1,2.10 .1,33.

1571 = .... ,4 == 123

uni tso

r

f .

I

I ' l ) [ '

l

J l J

r1

[1

n

,-'

I , -39-IX. Symbolenlijst: symbool A a Cp D,d F,S G AH v,r H H.T.E. K k k g k c L L N o.g. gT'ootheià

warmteuitwisselend oppervlak

kolomuitwisselend oppervlak per

kubiete meter kolomvulling

relatieve vluchtigheid een..lJ.eid 2 m 2 1

m

/m~

molaire viarrntecapaciteit bij con,..o · cal/er.oC

stante druk

totale molaire concentratie

diameter

diffusieco~fficient be leli a:rr;e ter

porositeit doorsnede gasbelasting

verdampir:gswarmte,reaktiewarmte

henrycoëfficient

hoogte van een transport eenheid

evenwichtscor..stantc reaktiesnelheidsconstante stofoverdrachtscoëfficie~t betrok-ken op de gasfase stofoverdrachtsco~fficient betrok-ken op de vloeistoffase

chemische reructiesnelheidsconstante

vloeistofbelasting

aanduidi~ van een stroom

aantal transporteenheden

krool/m) rn 2 m /s 2 rn tcal/mol atm. m

I. :

! '

L

[.

~

l

:

['

[

[

r~

['

.

f

'

[

.

l

:

l~

[:

[1

[l

[J

~.

n

fî

r

symbool p as p e R R T T log.gem.

u

v

y x y x ~v

~mol

9J_m

~w

rz:

"V

f

2

grootheid druk asvermogen effectief vermogen refluxverhouding reaktie snelheid temperatuur

het logaritmisch temperatuur gemid

-delde warmteoverdrachtsco~fficient volume snelhied molfractie Jr.olÎractie conversie debiet . molenstroom me.ssastroom warmtestroom verblijf tijd kinematische viscositeit dichtheid dJ~amischeviscositeit eenheid a.tm. kW kW mis mol/s kg/s J/s s 2 m Is 3 kglm 2 Ns/m

u

[

:

r

r '

l

l,

[

~

~

1

[ 1

n

n

-'11-DiMensieloze eetallen Re Reynoldsgetal Hattagetal

8h SherV/ood getal Sc Schmidt getal indices: 1 ka.talysator 2 etheen v vol'J.rne m massa. 0 beein .w warmte c chemisch

X.Li ter~duurover7,icht:

1) S.A.Miller

Ethylene and its derivatives.

2) Kramars & r:le sterterp

Chem.React.Eng./des.

3) F.R.IT. Valcntin

Absorption in gas-liquid dispersions.

4) Kossen colIeeedictaat

5) Patent 215677

6) P. ~.'!.Heertj es Physisch tech.'1.ische scheidingsmethoden •

7)Coulson

&

Richardson Chem.Eng. deel I , 11 , 111.

8)Technical note nUJ'llC'ler 3 en

4

Selcted values of chemical Thermou.;ynamic

Properties.

9) TirîlJoerma..'1.S Physico-Chemical.:·constants of binary systems vol.4

10) R.W.Gallant Physical Proporties of Hydrocarbons

vol. 1 en 2

11) inleiding tot de proceskunde (college M-33)

J.W.van Heuven en 'N.A.de Jong 12) Landolt-Bornstein

1)) Foust-Principles of Unit Ope~ations

14) Perry- Chemical Engeneers Handbook

15) VDI-wärme-atlas

16) Hegstebeck-Distilation

17) collegedictaat van ir. Montfoort.

18) Fabrieksvoorontwerp ,over het 1-trapsproces van Thijm en van Dijk.

19) ColIeeedictaat Prof. va..rJ. Berkel-Chem.Werktuigen I & 11. 20) Collegedictaat Chem.Reaktorkunde M)2 Prof.P.J.van de Berg. 21) Angewandte Chemie 1962 72 22) PatentnunNiers:822.535 1146.045 1147.211 1215.677 1181.193 1254.641 1151. 496 1149.703 1145.602 1190.451