Butadieen produktie volgens het OXD-proces

(1)

o

I

10 o

()

adres:

IA~~.·(

F.V.O.

Nr.

2983

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

B.M.M. Delfos

· ...

..

R.P. Post van der Burg

· ...

..

... .

onderwerp:

~4~d.ie.et:t pt:o~~k~i~ yolgens _{. . . .} het OXD-proces _. _{. . .} · . . . . _._{. . . .}_{. .}

_{. .}

_{. . .}

_.

_{. .}

_._{. . .}_._._._{. .}

_.

Oudraadtweg 23, 2612 SL, Delft Oude Delft 98, 2611 CE, Delft

opdrachtdatum:

1 juli 1992

verslagdatum : 19

april 1993

(2)

FVO-2983

SAMENVATTING

In dit fabrieksvoorontwerp is een oxidatief dehydrogenerings proces doorgerekend. Het

O.X.D.

proces

(1970)

van de Phillips Petrolewn Company gebruikt de selectieve katalysator 2(Sn0₂).P 205 om butenen te dehydrogeneren tot 1,3-butadieen. In de tweede

stap van het proces wordt met behulp van furfural

99.85%

zuiver butadieen geproduceerd, met een acetylenen gehalte kleiner dan 2 ppm.

In de continue reactor reageert de vrijkomende waterstof met zuurstof tot stoom bij een temperatuur van 500D

_e.

De één pass reactie heeft een conversie van 69.4%.

De totale jaarproduktie bedraagt

116 000

ton. Bij de produktie worden geen noemenswaardige bijprodukten gevormd.

De totale investeringskosten bedragen ft. 54.1 miljoen. De pay-out time bedraagt 1.6 jaar en de internal rate of return 21 %.

(3)

FVO-2983 1. INHOUDSOPGAVE 1. INHOUDSOPGAVE 1 2. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 3 2.1 Conclusies 3 2.2 Aanbevelingen 3 • ....J ₃_. _INLEIDING ₄

4. UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP 5

4.1 Exogene gegevens 5 4.2 Endogene gegevens 7 4.2.1 Fysische constanten 7 4.2.2 Corrosie aspecten 8 4.2.3 Toxiteit en Veiligheid 8 5. PROCESVOERING 10

5.1 Beschrijving van het proces 10

5.2 Inbedri j fstelling 11 5.3 Flexibiliteit en Procesregeling 11 6. PROCESCONDITIES 13 6.1 De Dehydrogenatie 13 6.2 De Purificatie 14 7. APPARATUURKEUZE 15 7.1 De Dehydrogenatie Reactor R3 15 7.2 Scheiders T5 en T16 15 .J 7.3 Stoomstripper T7 15 7.4 Wastoren Tl 0 16 7.5 Absorber TIl 16 7.6 Oliestripper T15 16

7.7 Extractieve Destillatie Kolom T21 17

7.8 Stripper T22 17

7.9 Destillatie Kolom T25 17

8.

W ARMTE- EN MASSABALANS

18

9. OVERZICHT SPECIFICATIE APPARATUUR 36

9.1 Apparatenlijst voor diversen 36

(4)

FVO-2983

10. ECONOMISCHE BESCHOUWINGEN 48

10.1 Investeringen 48

10.1.1 De Omzetmethode 48

10.1.2 Stapmethodes 49

10.1.2.1 De methode van Zevnik-Buchanan 49

~/

10.1.2.2 De methode van Taylor 50

10.2 Kosten 51 10.2.1 Variabele kosten 51 10.2.2 Vaste kosten 52 10.2.2.1 Onderhoudskosten 52 10.2.2.2 Arbeidskosten 52 10.3 Opbrengst 53 1004 Overzicht 53 10.5 Afschrijvingen 53

10.6 Return of Investment (ROl) 55

J 10.7 Pay-out Time (POT) 56

10.8 Intemal Rate of Return (IRR) 56

11. SYMBOLENLIJST 57

12. LITERATUUR 59

BIJLAGE A Berekeningen aan Reactor R3 61

BIJLAGE B Berekeningen aan Wastoren Tl 0 62

BIJLAGE C Berekeningen aan pompen P6 en P 12 63

C.1 Algemeen 63

C.2 Voorbeeld pomp P 12 64

BIJLAGE D Dimensionering T7, TIl, T15, T21, T22 en T2S 65

D.1 Algemeen 65

D.2 Voorbeeld kolom T7 65

BIJLAGE E Warmtewisselaren H4, H9, H13, H14, H16, H17 en H20 66

E.1 Algemeen 66

E.2 V oorbeeld warmtewisselaar Hl 7 70

BIJLAGE F Computerprogramma berekeningen Warmtewisselaars 72

.J

(5)

FVO-2983

2. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

2.1 Conclusies

Ten opzichte van andere vergelijkbare processen [lit 1] heeft het OXD proces de volgende voordelen:

1. Een hogere conversie per doorgang, namelijk 70% in plaats van 45%.

2. De exotherme reactie van waterstof en zuurstof levert de benodigde warmte voor de dehydrogenatie.

3. Toevoeging van stoom onderdrukt de vorming van cokes op de katalysator. De reactor kan zodoende continu gebruikt worden.

De totale investeringen bedragen bij een butadieen produktie van 120 000 ton/jaar fl. 54.1 miljoen. De pay out time van dit proces bedraagt 1.6 jaar en de internal ra te of return 21 %.

2.2 Aanbevelingen

De produktstroom die de reactor uitkomt bevat een enorme hoeveelheid proceswarmte. Deze warmte kan goed gebruikt worden voor de opwerking van processtoom. De stoornkosten, die bijna 11 miljoen gulden per jaar bedragen, zouden hierdoor aanzienlijk kunnen dalen.

(6)

warmte-FVO-2983

3. INLEIDING

1,3-Butadieen is een belangrijk commodity produkt uit de chemische industrie. Een groot deel wordt gebruikt voor de produktie van SBR (butadieen-styreen copolymeer) en polybutadieen, waarvan weer 60% gebruikt wordt voor de produktie van autobanden. Andere toepassingen zijn onder andere ABS-copolymeren en insekticiden [lit 1].

Butadieen werd in 1886 voor het eerst waargenomen in kraakprodukten van petroleum. Latere commerciële processen (1915) gebruikten acetyleen als grondstof. Dit proces werd grootschalig toegepast gedurende de Tweede Wereldoorlog in Duitsland. In deze periode werd ook het methanol proces ontwikkeld. Tegenwoordig zijn er nog twee produktiemethoden. De eerste is de produktie uit C4 kraakfracties. De tweede is de dehydrogenatie van butaan en/of buteen.

Het "Catalytic Oxidative Dehydrogenation" (OXD) proces van de Phillips Petroleum Company uit 1970 gaat uit van de reactie vergelijking:

ÁH_298K

=

109,8 kj/mol [1] Het gevormde waterstof reageert direct met het zuurstof:

ÁH_298K

=

-241,8 kj/mol [2]

De overall reactievergelijking is dan:

ÁH_298K

=

-22.0 kj/mol [3] Om bij dehydrogeneringsprocessen economisch interessante omzettingen te bereiken, moet men bij relatief hoge reactie temperaturen werken. Hierbij treden enkele nevenreacties op zoals: kraken, isomeriseren en polymeriseren. Het gebruik van selectieve katalysatoren voorkomt dat de thermodynamisch gunstigere kraakreactie plaatsvindt. Een gunstigere evenwichtsligging wordt ook bereikt door verlaging van de partiaalspanning met behulp van inert stoom.

In Borger (Texas) produceert sinds 1970 een OXD plant van de Phillips 125 000 ton/jaar [lit 2]. Belangrijke voordelen van het OXD proces ten opzichte van concurrerende processen zijn [lit 1]:

De exotherme reactie van de waterstof met zuurstof, waardoor de endotherme dehydrogenatie van buteen naar 1,3-butadieen verhoogd wordt.

Er is maar één reactor nodig, omdat door toevoeging van een grote overmaat stoom geen cokes vorming optreedt.

Het proces kan door de hoge warmtecapaciteit van de waterdamp adiabatisch bedreven worden.

(7)

FVO-2983

4. UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP

4.1 Exogene gegevens

Voor de bedrijfsvoering is uitgegaan van een produktie van 120 000 ton/jaar bij een procesvoering van 8000 uur/jaar. Deze produktie komt redelijk overeen met de produktiecapaciteit van de reeds bestaande OXD plant in Borger [lit 2].

~) De koolwaterstof voedingsstroom van de reactor bevat 95 gewichts-% 2-buteen isomeren, waarvan een mogelijke samenstelling is weergegeven in tabel 4.1. Het proces heeft een grote flexibiliteit ten aanzien van de cis-2-buteen/trans-2-buteen verhouding

, _ , I

[lit 3].

Tabel 4.1: Mogelijke samenstelling C4-stroom.

Component Mol % Ethaan/Etheen 0.04 Propaan 0.04 Propeen 0.04 2-Buteen <0.02 1-Buteen 3.39 trans-2-Buteen 52.90 cis-2-Buteen 43.60 3-methyl-1-Buteen 0.01 1,3-Butadieen <0.01 Totaal 100.0

De katalysator, die Phillips gebruikt voor de dehydrogenatie, is 2(SnO")'P20S in de vorm van tabletten met een diameter van 0.3 centimeter [lit 4].

De aan de reactor toegevoegde lucht wordt aan de omgeving onttrokken. De zuiverheid van het produkt bedraagt 99.85 %. De conversie is 69.4% en de selectiviteit is 85.2%.

(8)

FVO-2983

Bij de bedrijfsvoering zijn per ton geproduceerd butadieen nodig: C4-stroom 1.686 ton Lucht 3.352 ton Koelwater 115.5 ton . .-/ _Stoom _{3.1 ton} Electriciteit 7.2 kWh '...1 6

(9)

. J , J ' -' . - - - -FVO-2983 4.2 Endogene gegevens 4.2.1 Fvsische constanten

Voor de fysische constanten van de in het proces voorkomende stoffen werd gebruik gemaakt van het simulatiepakket ChemCAD. In tabel 4.2 staan enkele fysische constan-ten.

Tabel 4.2: Fysische stofgegevens van de gebruikte componenten: Molgewicht, T erit'

P crit en T Kook (P=l bar).

component Molgewicht

P

erit Terit Tkook

(g/mol) (bar) (K) (K) 1,3-butadieen 54.1 42.7 425.4 268.7 ethaan 30.1 48.2 305.4 184.9 propaan 44.1 41.9 369.8 231.1 etheen 28.1 50.5 283.0 169.3 propeen 42.1 45.5 364.8 225.4 1-buteen 56.1 39.7 419.6 266.9 cs-2-buteen 56.1 39.5 417.9 266.3 ts-2-buteen 56.1 39.3 429.6 274.0 3-mth-l-buteen 70.1 32.9 460.8 293.1 l-butyn 54.1 46.3 448.3 281.2 stikstof 28.0 33.5 126.2 77.4 zuurstof 32.0 50.1 154.8 90.2 waterstof 2.0 12.8 33.4 20.4 furfural 96.1 52.5 213.8 434.9 n-decaan 142.3 19.6 612.3 447.2 butaanzuur 88.1 39.3 257.4 438.6 koolmonoxide 28 34.5 133.2 81.7 kooldioxide 44.0 72.9 304.2 194.6

(10)

-'

FVO-2983

4.2.2 Corrosieve aspecten

Een klein deel van de C4-voeding wordt omgezet in geoxideerde koolwaterstoffen, voornamelijk propionzuur, ethaanzuur en acetaldehyde [lit 5]. Het soort en de hoeveelheid hangt af van de condities in de reactor. Deze bijprodukten worden groten-deels via de stoomstripper teruggeleid in de reactor voeding om de vorming van meer geoxideerde koolwaterstoffen te onderdrukken. Dit brengt consequenties met zich mee voor de materiaalkeuze van de apparatuur. De stoom stripper is dan ook uitgevoerd in roestvrij staal.

De in de extractieve destillatiekolom gebruikte solvent, modified furfural, is door toevoe-ging van een corrosie inhibitor niet corrosief. Echter, in de solvent purificatie eenheid is deze corrosie inhibitor niet actief, en deze eenheid zal dan ook van roestvrij staal gefabriceerd worden. De materiaalkeuze van de overige apparaten en leidingen is minder kritiek. Hiervoor kan koolstofstaal gebruikt worden met alle bijkomende economische voordelen [lit 5].

4.2.3 Toxiteit en veiligheid

1,3-Butadieen is een niet corrosief, kleurloos en ontvlambaar gas. Het gas is aan zijn reuk herkenbaar. De stof kan spontaan aan de lucht ontbranden bij snel uitstromen en reageert heftig met vele andere stoffen [lit 6]. De explosie grenzen in lucht alsmede de MAC-waarde, het vlampunt en de zelfontbrandingstemperatuur (Z.O.T.) van de in het proces voorkomende componenten zijn weergegeven in tabel 4.3. In tabel 4.4 staan de explosie grenzen van een 1,3-butadieenl02 mengsel vermeld.

Het opslaan van 1,3-butadieen dient zuurstof vrij te gebeuren. Bij een temperatuur van 50°C wordt in 24 uur een peroxide ((C₄H₆0₂)n, n=7-9) concentratie tot 460 ppm bereikt. Toevoeging van een inhibitor als TBK (2,6-di-tert.-butyl-p-kresol) vermijdt de reactie van 1,3-butadieen met zuurstof [lit 1].

Omdat 1,3-butadieen zeer ontvlambaar en explosief is in de aanwezigheid van zuurstof of lucht zijn strenge veiligheidseisen noodzakelijk.

(11)

J

-../.

FVO-2983

Tabel 4.3: MAC-waarden, vlampunten, Z.O.T. en explosiegrenzen in lucht van de in het proces voorkomende stoffen.

component MAC-waarde vlampunt Z.O.T. Explosiegrens (mg/m₃₎ COC) COC) (vol% in·

lucht) 1,3-butadieen 110

-

415 1.4-16.3 ethaan

-

515 3.0-12.5 propaan

-

470 2.1-9.5 etheen -

-

425 2.7-34.0 propeen - -72.0 499 2.0-11.1 1-buteen -

-

384 1.6-9.3 cs-2-buteen -

-

465 1.8-9.6 ts-2-buteen 1400 -73.3 320 1.8-9.0 1-butyn -20

-

1.4-? waterstof

-

4.0-76 furfural 8 60 315 2.1-19.3 koolmonoxide 50 605 12-75 kooldioxide 5000

-

-Tabel 4.4: Explosiegrenzen van 1,3 butadieen in zuurstof (1.013 bar, 25°C).

Volume-% g/m3 ondergrens 73 1650

(12)

'Tl

~.

VI ... '1::)

a

o CD en en o

g

P> F I f 2 R J H 4 T 5 FORNUIS fORNUIS REAKTOR KOELER fLASH T7 P 6 T 7 V B H 9 T 10 P6 T21 POt.lP STOOt.lSTRIPPER 8UFFERVA T REBOiLER WASTOREN T 11 P 12 H IJ H 14 T 15 S24 OUE ABSOR8ER POt.lP WARt.lTEv.1SSELAAR WARt.lTEv.1SSELAAR OUE STRIPPER H 16 H 17 T 18 t.I 19 E 20 T22 WARMTEv.1SSELAAR KOELER FLASH MIXER EXPANDOR

•

T 21 T22 H 203 S 24 T 25 T25 KOLOM KOLOM KOELER SOL VENTPURIf"lCA TI ON OESTILLA TIEKOLOt.l

(13)

FVO-2983

5. PROCESVOERING

5.1 Beschrijving van het proces

In figuur 5.1 is het OXD processchema weergegeven.

Het totale proces kan worden opgesplitst in twee afzonderlijke delen:

1] De dehydrogenatiereactie en het vervolgens verwijderen van water en lichte componenten uit de produktstroom.

2] Verdere opwerking tot een tenminste 99.85% zuiver produkt door middel van extractieve destillatie met als solvent furfural.

Reactor R3 wordt gevoed door een lucht-, een stoom- (fornuizen Fl en F2) en een butenen(C4)-stroom. De molaire verhoudingen in de voeding van H20 : O2 : C4 ZlJn

respectievelijk 25.1 : 0.69 : l.

De inlaattemperatuur van de reactor bedraagt tussen de 425 en 510°C [lit 3] bij een verblijftijd van tussen de 0.3 en 1.2 seconden. Van de C4 voeding wordt 61.4% omgezet in 1,3-butadieen.

De produktstroom van reactor R3 wordt gekoeld in warmtewisselaar H4 tot een temperatuur van 49°C en vervolgens naar flash T5 geleid waar het gecondenseerde water afgevoerd wordt naar pomp P6 en de topstroom naar wastoren TI0. De waterstroom uit P6 wordt de top van stoomstripper T7 ingeleid. De stoom waartegen de waterstroom wordt gestript is de bodemstroom van T7, die via accumulator V8 en verdamper H9 aan de bodem van T7 wordt toegevoerd. Er wordt 82 gewichts-% van de geoxideerde koolwaterstoffen over de top meegevoerd en vervolgens via stroom 16 naar F2 geleidt.

Het 1,3-butadieen gasmengsel wordt in wastoren TI0 in contact gebracht met waterstroom 18. De waswaterstroom 19 die over de bodem wordt weggevoerd bevat nog kleine fracties geoxideerde koolwaterstoffen. De gasstroom, bestaande uit onder andere 1,3 butadieen, butenen, stikstof en zuurstof, wordt over de top gevoerd en via stroom 20 naar de bodem van absorber TIl geleid.

In TIl wordt stroom 20 in contact gebracht met een lichte olie stroom, die dienst doet als absorbens. 1,3-butadieen, de butenen, andere C4 en zwaardere koolwaterstoffen worden hierin geabsorbeerd en via bodemstroom 22 verwijderd. Het topprodukt van de absorber, stroom 21, bestaat uit stikstof, zuurstof en andere lichte gassen [lit 7].

(14)

50 ~ 0 ₄₀ ...J \.IJ

-

_~ \.IJ 30 z w 0 ~ ₂₀ :::,) CD 10 0 ₄₀ ₅₀ ₆₀ ₇₀ 80 02 SURVIVAL ~o

(15)

FVO-2963

Via pomp P12 en warmtewisselaar H13 en H14 wordt de rijke olie op de voor stripper T15 juiste druk en temperatuur gebracht. In T15 worden de in de olie geabsorbeerde fracties gestript met behulp van stoominjectie. De gestripte olie wordt via warmtewisse-laars H16, H14, H13 en H17 teruggevoerd naar de top van abs orb er TIl.

Topstroom 31 van T 15 wordt vervolgens in flash T 18 gesplitst in een butadieenJbuteen topstroom 36 en een voornamelijk uit water bestaande bodemstroom 32. Deze bodem-stroom wordt, in mixer M 19 aangevuld met de olie die in bodem-stroom 21 verloren gaat, via HlS verhit tot stoom voor de stoominjectie in T15.

Stroom 36 wordt vervolgens, na in expansievat E20 op lagere druk te Zijn gebracht, halverwege de extractieve destillatie kolom T21 ingevoerd. Bovenin T21 komt

solvent-stroom 44 binnen bestaande uit furfural en water, in een verhouding van 1 : 0.02. De

solvent-feed ratio bedraagt 2.8. De topstroom 38 bevat voornamelijk l-buteen en het

spoortje methyl-acetyleen. Over de bodem wordt 1,3-butadieen, en een klein deel van de butenen, selectief met furfural en water in stroom 39 afgevoerd naar stripper T22. Hier wordt het furfural en het water over de bodem afgescheiden. Deze stroom 40 wordt na warmtewisselaar H23 te zijn gepasseerd, gezuiverd in de opwerkingseenheid S24 van de

solvent en teruggevoerd naar kolom T21.

Over de top van T22 wordt stroom 45 afgevoerd naar de destillatiekolom T25. In deze kolom worden de laatste verontreinigingen, onder andere vinyl-acetyleen, van de buta-dieenstroom gescheiden en over de bodem afgevoerd via stroom 47. De 99,85% zuivere butadieenstroom 46 gaat over de top en vormt de produktstroom. Het produkt wordt vervolgens zuurstofvrij opgeslagen.

5.2 Inbedrijfstelling

De reactor R3 werkt adiabatisch waardoor de reactie pas verloopt als er voldoende reactiewarmte vrijkomt. Bij het opstarten van het proces moet deze warmte aan het proces geleverd worden door F2. Recycle stroom 16, die voornamelijk uit stoom bestaat moet worden gecompenseerd door stroom 1. Als dan het stoom circuit éénmaal draait kan de butenen stroom 9 worden bijgevoegd [lit 5]. Tevens zal er warmte toegevoerd moeten worden aan de warmtewisselaars H13 en H14 om stroom 25 op de juiste temperatuur te brengen.

5.3 Proces regeling en Flexibiliteit

Speciale aandacht gaat uit naar de regeling van het zuurstofgehalte in de processtromen.

In verband met de explosiegrenzen dient het zuurstofgehalte beneden de 9.5 mol% gehouden te worden. Het verband tussen het zuurstofgehalte na de reactor en

(16)

\.0 0,' !It.' 0.0 I

~

8

" :> ~ ::;000 ~ • I I--L fT 0000

•

I

+-1-1

0.0000 .L

-17 I / ~'

~

t=- ~'

tw- • " , d

lL

f-7

_~.

t!"

v-/ !/ I , --' , I I1 1 I I i T

JOO IlO <GIl .10 ~ ~IO 600 610 1\0 810

f(Mr{RAfURE. ·e

Figuur 6.1: Evenwichtsconstante ~ als functie van de temperatuur.

1 0 0 . . . - - - -- - - ,

--O _ _ .... Q.J.---.;G:.;.A.:.;:.~,..:.P..;.;H~A.:.S E:...~LECT1~TY

>-z .... u a: ....

...

...J 0 ::l 90 80 70 9 8 7 6 FtGUltE • EFFECT OF RESIDENCE TIME

REACTOR OUTLET = II00F

H20/02/ BUTENE = 35/1"

5L-_ _ _ _ - L _ ____ ~~----~---'

0.2 0.3 0.4 0.5

RESIDENtE TIUE. SECOND

(17)

FVO-2983

Zoals in het processchema te zien is wordt direct na de reactor met behulp van een zuurstof analyser gecontroleerd of het droge mol% zuurstof tussen de 5.0 en 9.5 is. Bij een zuurstof survival die kleiner is dan 5% daalt de butadieen conversie erg snel (zie figuur 5.1). De zuurstof analyser is gekoppeld aan fornuis F2. Bij een te laag zuurstof-percentage wordt F2 harder verwarmd, waardoor de temperatuur van het zuurstof/stoom mengsel stijgt. In het geval van een te hoog zuurstofgehalte gebeurd het omgekeerde. Bij alle destillatiekolommen wordt de condensorstroom met een FC (Fluid Controller)

gecontroleerd en constant gehouden. De reboi/erstroom wordt gemanipuleerd door het

oververhitte stoom stroomdebiet door de reboi/er met een FC te regelen.

Bij de koelers H4, H17, H23 en de verdamper H9 wordt met een TC (Temperature

Controller) de temperatuur van de uitgaande stroom gecontroleerd. Door het afstemmen

van de koelwater of oververhitte stoom stroomdebiet kan de uitgaande temperatuur gecorrigeerd worden. In de doughnut in oliestripper T15 is een LC (Level Controller) aangebracht, die het niveau van de loogoplossing in de doughnut controleert en op peil houdt.

(18)

---- ---~~

..

~I -z w u a: w Cl.. ..J 0 :::E ~--- ---100 gO 80 70 60 12

la

8 GAS PHASE SElECTIVITY --~ö~----O~---O---o____ CONVERSI~I~O~N:.._-o--FIGU"E.

EFFECT OF

OXYGEN / BUTENE RATIO

RESIDENCE TI!.IE: 0.25 SEC.

STEA),4 1 BUTENE RATIO: 35/1

REACTOR OUTLET = 1100 F

6~----~----~----~'---~' ----~I~--~

0.8 0.9 1.0 \.I 1.2 1.3 1.4

OXYGEN IBUTENE !.lOL RATIO

Figuur 6.3: Butenen omzetting als functie van de 02:C4 verhouding.

Figuur 6.4: 100 -<l 10 eo 70 .... z

...

_u a::

...

_...

₆₀ ...J 0 ::I 10.0 t.~ t.O U 0 JO

(jAS PHASE SELECTIVITT

"0 0 o

EFFECT OF

STEAMIBUTENE RATIO

REAC TOR OUTLEr : 1100 F Oxy(jEH/BUHHE R"TlO:O.1S1I

RESIOEHCE TlUE:O.Z~ SEC.

EFFLUENT OXYGEN

5HAU/BUTENE UOL RATIO

Butenen omzetting en 1,3-butadieen selectiviteit als functie van de stoom:C4 verhouding.

(19)

FVO-2983

6. PROCESCONDITIES

6.1 De Dehydrogenatie

De dehydrogenatiereactie was al gegeven in vergelijking [1]:

.o.H = 109.8 kj/mol [1]

Het verband tussen de evenwichtsconstante

K"

van deze reactie en de temperatuur IS

weergegeven in figuur 6.1 [Iit 8].

Het vrijkomende waterstofgas reageert direct met zuurstof volgens de eerder gegeven reactie [2]:

.o.H = -241.8 kj/mol [2]

Het verwijderen van de waterstof uit de omgeving van de reactie zorgt ervoor dat het evenwicht van reactie [1] meer naar rechts komt te liggen.

Andere factoren die de evenwichtsligging bepalen zijn [lit 9]:

1] De verblijftijd. In figuur 6.2 is te zien dat bij toenemende verblijftijd de conversie stijgt en de selectiviteit ligt daalt.

2] 02:C4 verhouding. Zoals figuur 6.3 laat zien neemt de buteen omzetting licht toe bij een hogere 02:C4 verhouding.

3] Stoom:C4 verhouding. Figuur 6.4 laat zien hoe bij toenemende stoom:C4 verhouding de buteen omzetting en de 1,3-butadieen selectiviteit licht stijgen.

De molaire verhouding van stoom: O2 : C4 in de reactorvoeding van 25.1 : 0.69 : 1 is

gebaseerd op de gegevens van de octrooi-aanvraag [lit 3]. Figuur 5.2 laat zien dat een maximale butadieen opbrengst wordt bereikt, wanneer 16% van de ingaande zuurstof-stroom niet reageert met het bij de dehydrogenatie reactie vrijkomende waterstof.

De oliestripper T15 werkt bij een druk van 6.3 bar, omdat bij lagere druk een aanzienlijk deel van de lichte oliestroom over de bodem van T15 gaat.

(20)

---

~---Figuur 6.5:

. ,',.

NORM AL OPERATING RANGE

n'METHYL PYRROLIDONE(B) ... ~ FURFURAL(A) --

----

--=.

--

ACETONITRILE(C! -~ W ~ . ~ ~

MOLE PERCENT HYDROCARBON IN LlOUID PHASE

(A)FROM DATA AVAILABLE WITHIN PHILLlPS PETROLEUM CO.

(B)CALCULATED FlOU BUNSEN COEFFICIENTS~

(C)FROM P\JBLISHED DATA'

(21)

6.2 Purificatie

Het butadieen wordt van l-buteen gescheiden door middel van extractieve destillatie. Als extractiemiddel is gekozen voor furfural met een fractie water (2%). Tevens is een corrosie inhibitor toegevoegd om corrosie van de apparaten tegen te gaan. De redenen dat er voor modified furfural gekozen is, zijn [lit 24]:

Butenen en Butadieen zijn volledig mengbaar bij de gehanteerde procescondities.

De selectiviteit bij hogere koolwaterstof/solvent verhoudingen is gunstiger voor furfural dan voor vergelijkbare extractiemiddelen (tig 6.5).

Het kookpunt van furfural is hoog genoeg om vrijwel geen solvent te verliezen over de top en is selectief bij lage temperatuur zodat polymerisatie van butadieen voorkomen wordt.

Furfural is het enige extractiemiddel dat het in zeer kleine hoeveelheid in de reactor gevormde methyl-acetyleen over de top laat gaan. Dit is een stof die maar in een paar ppm in het uiteindelijke produkt mag voorkomen.

Deze extractieve destillatie wordt uitgevoerd bij 4 bar in verband met de evenwichtslig-ging en werkbare temperaturen op de topschotel van de kolom.

(22)

(

(23)

7. APPARATUURKEUZE

7.1 De Dehydrogenatie Reactor R3

Reactor R3 is opgebouwd uit 3 parallel geschakelde vaste bedden [zie figuur 7.1], waarover een mengsel van stoom lucht en C4 wordt geleid. De selectiviteit en de conversie van de reactor zijn hoog genoeg om een single pass reactor te gebruiken. De

toevoeging van stoom en lucht maken in situ regeneratie van de katalysator mogelijk. De grote overmaat aan stoom werkt, naast het onderdrukken van cokes vorming, als een warmte buffer voor de overall licht exotherme reacties, zodat de reactor adiabatisch bedreven wordt.

De dimensionering van de reactor [bijlage A] is gebaseerd op de gegevens van de octrooi aanvraag [lit 3, 9 en 10], omdat ons geen kinetische gegevens van de dehydrogenering bekend zijn.

7.2 Scheiders T5 en T18

Zowel flash T5 als T18 dienen om watercondensaat te scheiden van de butadieenstroom. Omdat het condensaat in T5 nog resten geoxideerde koolwaterstoffen bevat is als materiaal roestvrij staal genomen [lit 5]. Omdat de waterstromen tiit zowel T5 als T18

recycle-stromen zijn, blijven de hierin opgeloste fracties butadieen in het proces.

7.3 Stoomstripper T7

De gebruikte stripper [lit 5], is een drietraps kolom uitgerust met een re boiler. Een condensor wordt niet gebruikt omdat reflux een verlaging van de hoeveelheid geoxideerde koolwaterstoffen en butadieen in de recyc/e-topstroom tot gevolg heeft [lit 5]. De geoxideerde koolwaterstoffen in de recycle-topstroom onderdrukken de vorming van geoxideerde koolwaterstoffen in de reactor en daarmee dus ook de uitstoot van deze stoffen in het milieu.

De toptemperatuur bedraagt ongeveer 127°C en de bodemtemperatuur ongeveer 130 °c bij een druk van 2.7 bar. Het constructiemateriaal is, vanwege de aanwezigheid van een kleine percentage geoxideerde koolwaterstoffen, roestvrijstaal.

(24)

(25)

'-./'

~'

FVO-2983

7.4

Wastoren TIO

Wastoren TI0 is een "lege" sproeitoren die wordt gebruikt om de overgebleven resten geoxideerde koolwaterstoffen uit de hoofdstroom te halen met behulp van water. Als waswater voeding kan eventueel de afvalwaterstroom van de stoomstripper gebruikt worden. Dit is niet gedaan bij de ChemCAD simulatie. In de top van de sproeitoren wordt water verneveld tot druppeltjes met een gemiddelde diameter van ongeveer 500 !lm. De hoofdstroom wordt aan de onderkant van de toren ingevoerd. Het gasdebiet be-draagt 12 m3/s. In bijlage A is berekend dat de doorsnede 10 m2 is.

7.5 Absorber TIl

In de absorber wordt de produktstroom met gassen en bijprodukten in tegenstroom gebracht met een lichte oliestroom. Over de top van de absorber komt de stroom 21 die de lichte gassen bevat. Om de fractie 1,3-butadieen in de topstroom zo laag mogelijk te houden is de olie gekoeld tot 41°C, het nadeel hiervan is dat kleine sporen lichte gassen in de produktstroom blijven, waarvan vooral zuurstof ongewenst is omdat het verderop in het proces kan leiden tot de vorming van peroxides. Over de bodem gaat de stroom verrijkte olie naar de oliestripper T15. Het aantal evenwichtstrappen bedraagt 30 [lit 7].

7.6 Oliestripper Tl5

De oliestripper met op de achtergrond de absorber staat afgebeeld in figuur 7.2. In de stripper T 15 wordt de C4-stroom gestript uit de lichte olie stroom met behulp van stoom in tegenfase. De stripper [lit 7] heeft 50 schotels bij een breedte van 1.05 m en een lengte van 26 m [bijlage 0]. De stoomstroom komt via de bodem en de oliestroom Vla de achtste schotel binnen. De stripper kan worden opgedeeld in twee delen:

1] In het bovenste gedeelte van de stripper bevindt zich een sproeier die in tegen-stroom loog (bijvoorbeeld bi sulfiet met KOH) in contact brengt met de opstij-gende C4-damp. Hierdoor loopt de Ph op van ongeveer 4 à 5 naar 8 en wordt de topsectie van de kolom beschermd tegen de eventueel nog aanwezige corrosieve stoffen (carbonzuren). Deze constructie heeft tot gevolg dat de topstroom een van carbonylgroepen en andere vervuilingen gezuiverde C4 stroom is. Tevens maakt deze constructie het mogelijk dat de kolom geheel vervaardigd kan worden van C-staal. De loogoplossing wordt opgevangen in de doughnut of trap-out zone onder de damp dephlegmation zone en deels gerecycled naar de topsproeier. Deze stroom wordt geregeld door een niveauregelaar die het vloeistofniveau in de

(26)

-PRODucr rREATING SOLUTION STEAM TEAM Figuur 7.3: De oliestripper.

(27)

,-FVO-2983

2] In het onderste deel van de kolom (schotel 24) wordt stoom toegevoerd om de C4 componenten uit de olie te strippen. De bodemstroom bestaat vrijwel geheel uit olie en wordt gerecycled naar absorber TIl.

7.7 Extractieve Destillatie Kolom T21

In de extractieve destillatietoren T20 komt de voeding (stroom 37) op schotel 48 en het extractiemiddel op schotel 4 binnen (stroom 44). De reden hiervoor is dat er zo min mogelijk solvent over de top gaat. Deze voedingsschotels volgen uit het pakket Chemcad. De gebruikte solvent is furfural met twee gewichts-% water. Als constructiemateriaal wordt C-staal gebruikt. Dit is mogelijk omdat aan het licht corrosieve furfural een corrosie inhibitor is toegevoegd, die corrosie effectief voorkomt.

7.8 Stripper T22

Deze kolom bevat 14 schotels en de voeding (stroom 39) komt binnen op schotel 7. In ~J deze schotelkolom wordt door toevoer van warmte de C4-stroom van het oplosmiddel gestript. De solvent wordt over de bodem via een warmtewisselaar naar de solvent purificatie eenheid S24 geleid, om, na zuivering en compensatie voor lekstromen van

furfural, opnieuw gebruikt te worden in de extractieve destillatiekolom. Er is sprake van een rejluxstroom om te voorkomen dat er een noemenswaardige fractie solvent over de

top verloren gaat.

7.9 Destillatietoren T25

De stroom 45, die voornamelijk butadieen bevat, wordt op schotel 27 een 70 schotels hoge detillatietoren ingevoerd. De topstroom van deze kolom is de produktstroom 46, die 99.85% zuivere 1,3-butadieen bevat met minder dan 1 ppm acetylenen. De diameter en hoogte van de kolom zijn respectievelijk 1.1 en 35 meter.

(28)

FVO-2983

8. MASSA- EN WARMTEBALANS

De warmtebalans van een proces is gebaseerd op de wet van behoud van energie. De warmtebalans bevat kinetische-, inwendige- en potentiële energie. De in dit FVO gebruikte termen zijn de enthalpie, de toegevoerde warmte en geleverde mechanische arbeid.

De massa- en energiebalansen zijn berekend met behulp van ChemCAD. Hierbij wordt de enthalpie van een processtroom berekend uitgaande van relatieve enthalpieën. Aangezien er met relatieve enthalpieën gewerkt wordt, moet aan de reactor R3 de reactiewarmte als een extra stroom toegevoerd worden om de enthalpiebalans over de reactor kloppend te maken. De massabalansen zijn zeer eenvoudig, aangezien de aan een procesapparaat toegevoerde massa er ook weer uit moet komen.

(29)

- - - -

-

-FVO-2983

-.J'

Massa-IN

Voor-en

waarts Warmte balans

Retour

UIT

M

Q

Ar{ M M

Q

I],

'9

s

- 9 9'11 I

-I

sa

10

,

F,

It,/'H "'-

....

- -

---~ 8 69

.-l.

13,.5

b

~ J

6$

t

1.

,

~

5123tr 1./ I....~

llo,

as

4

b

-

- -

-I:!>'j 400 ~'-

_/6

bIS 26

~ ~:!> 2. 4

,

SO,09 ,

R>

/, Bb '-10

7...6,be

111,68D

1...--

-

---1:;10:>$"00 _B ~II.. H't

17

6000 1....,.... 'iq, 680

_{- -}

--~ 5" 0 0

~--TS _"_, _{5 49}_<jO

'1

L-,...

~o

111.. 10 1\--

(30)

--FVO-2983 I 10

Pb

5 ho

1/2 "-r---(,-;'2~5 ~

,-

- -

-I1

/6

' - J ' ~~

Tt

84 <j

t-e".. VB 13 ... 10,020 - 80"t1.. I ... 6".ob

_t

"-,....1" bi, Db

7---

r-ab4:'O -4~(o 1'1 ~J ~L _1.5 136340 I\. --'"

,

H'3

1"7,S"b3 11 () C) 0

-'r

r-- ₁₃

,

... _s,18~

_{- s'3}

_2. '-, - b;n.z.. ,9

fT/o

S _,00 '1 , " r -'1,380

-

- -

-

.

lö II--'t~ 0

....: ...

....:lo. '2.1 ~ 12,.332 8;1/ '2..1 , Til lL Ib1. '208 _{- - - -}

-,....

2.1. 11020

r-L,

₁₅₈ /58 82-20

-bo

P/2

~o '.J 2.3 20

(31)

FVO-2983 ,.; I b 1.1. 08

_--

_{- -}

'2.:>

1/ 0 80 r-~ I·H;'

+--2.~ ~- .... !'- IS S.IS 8 14 l]-03 -.2 0 I~~ '2.09 ...J _,,--- -: !:::t..'.!JJ,o

r-r...

,S _Is&,/:r8

r -

t-8120 1-4''1 1 ~ 8,'> 8

..

r-:'~Lt~o LL'32.oB .J~ __ __

...,...

IS 8,IS8 fJl" ll2...,5o '2,.y 10 /-.2°0 ~O'j~1 ~t\

~r-L

,

27

r - T/5 S 330

..

31

~

.. , I\. 0,8-z. 1. S--S: 8 '-~

_'2.-.±

"7 158,/s8 1.(, I· ['-- -IO .. 2. .. QPo _~ _?S o

,

IS 8 13 ~

~r--=-I

~

, "

f

~

~ 1'1'~

j(

-3>2 .JI'" O" 2 ft

-

- liS ~ _,.., ~ 30~

'H'7

~ r---' 31

1..-:;°

" -

~r-t-T'8

1.5°

(32)

i i 5 '2 ob

3'

FVO-2983

- -

--'1'11..3 _~~ , ₁₀ E20 5 2

ob

~r-'2.413

-

-31

r-"-'(,3?. 3.8

tr

11

0'91

t-

77..

...,

--' 29 ~S

-r-

'2.4,04/

-

--

.-- [3 '-18 ~~ - 497../

4tLt,

I ~

T2Z

!:ul.. I S

_.

_-

'-I) !:i 0

....

-'2..4 060 .J

_{f\- - --}

l;o 325 _] ~~ Hl~

_&b,o

- ! ' - " 1.._4

J)bo

I-t

I\ ____ LII -4853

r-"-

'-t4 5:>2.11 .11\4~~ 42. Of 0:3"1- -42.. ó , 0 / 9 - /0

-r - - _Lt~

'71.3

~,OS4 ~ T2.S I_U ~ o,d~ / 40 / /

'r7..)

"

-22

(33)

.J

32'

17 ° 27

6043

~

~ ~ ~ i -~ i

-~

Totaal

FVO-2983 ~ ?J2

1 b

s

z

16043

(34)

J FVO-2983 Apparaatstroom 1 2 3 4 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan Etheen Propaan Propeen l-Buteen 0.231 Cs-2-Buteen 2.978 Ts-2-Buteen 3.616 1,3-Butadieen 0.001 3-Methyl-l-Buteen l-Butyn Carbonzuur Vinyl-Acetyleen Light Oil Kooldioxide 0.061 Koolmonoxide Stikstof 10.815 Zuurstof 2.692 Furfural Water 7.195 7.195 Totaal 7.195 7.195 13.569 6.826

I

Enthalpie [kW]

I

-8941

I

9869

I

9657

I

9932

I

24

(35)

FVO-2983 Apparaatstroom 5 6 7 8 -Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.004 Etheen 0.004 Propaan 0.001 .J Propeen 0.018 1-Buteen 0.001 0.001 0.232 0.174 Cs-2-Buteen 0.005 0.005 2.983 0.459 Ts-2-Buteen 0.003 0.003 3.619 0.326 1,3-Butadieen 0.034 0.034 0.035 4.178 3-Methyl-1-Buteen 0.001 1-Butyn 0.001 0.001 0.001 0.051 Carbonzuur 0.005 0.005 0.005 0.007 Vinyl-Acetyleen 0.004 Light Oil Kooldioxide 0.061 0.061 0.061 0.527 Koolmonoxide 0.292 Stikstof 10.815 10.815 10.815 10.815 Zuurstof 2.692 2.692 2.692 0.260 Furfural Water 57.237 57.237 57.237 60.559 Totaal 70.854 70.854 77.680 77.680 Enthalpie [kW] 88166 139400 149332 175500

(36)

, ~. Apparaatstroom Componenten Ethaan Etheen Propaan Propeen 1-Buteen Cs-2-Buteen Ts-2-Buteen 1,3-Butadieen 3-Methyl-l-Buteen 1-Butyn Carbonzuur Vinyl-Acetyleen Light Oil Kooldioxide Koolmonoxide Stikstof Zuurstof Furfural Water Totaal

I

Enthalpie [kW] 9 M [kg/sJ 0.004 0.004 0.001 0.018 0.174 0.459 0.326 4.178 0.001 0.051 0.007 0.004 0.527 0.292 10.815 0.260 60.559 77.680

I

-500 FVO-2983 10 11 12 M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ 0.001 0.001 0.005 0.005 0.003 0.003 0.034 0.034 0.001 0.001 0.005 0.005 0.001 60.062 60.062 71.086 60.112 60.112 71.087

I

-67280

I

-67275

I

-57020

I

26

(37)

FVO-2983 J Apparaatstroom 13 14 15 16 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan Etheen Propaan Propeen 1-Buteen 0.001 Cs-2-Buteen 0.005 Ts-2-Buteen 0.003 1,3-Butadieen 0.034 3-Methyl-l-Buteen l-Butyn 0.001 Carbonzuur 0.001 0.001 0.005 Vinyl-Acetyleen Light Oil Kooldioxide Koolmonoxide Stikstof Zuurstof Furfural Water 10.020 61.066 61.066 50.042 Totaal 10.020 61.067 61.067 50.091

I

Enthalpie [kW]

I

-8072

I

-49910

I

86430

I

68640

I

(38)

FVO-2983 Apparaatstroom 17 18 19 20 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.004 0.004 Etheen 0.004 0.004 Propaan 0.001 0.001 Propeen 0.018 0.018 1-Buteen 0.173 0.173 Cs-2-Buteen 0.454 0.454 ~) Ts-2-Buteen 0.323 0.323 1,3 -Butadieen 4.143 0.003 4.140 3-Methyl-1-Buteen 0.001 0.001 1-Butyn 0.050 0.050 Carbonzuur 0.002 0.002 Vinyl-Acetyleen 0.004 0.004 Light Oil Kooldioxide 0.526 0.526 Koolmonoxide 0.289 0.289 Stikstof 10.815 10.815 Zuurstof 0.260 0.260 Furfural Water 0.498 5.004 5.184 0.318 Totaal 17.563 5.004 5.189 17.380

I

Enthalpie [kW]

I

11890

I

-6322

I

-5922

I

11490

I

28

(39)

FVO-2983 Apparaatstroom 21 22 23 24 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.003 0.001 0.001 0.001 Etheen 0.004 Propaan 0.001 Propeen 0.012 0.006 0.006 0.006 l-Buteen 0.004 0.171 0.171 0.171 Cs-2-Buteen 0.010 0.463 0.463 0.463 Ts-2-Buteen 0.006 0.326 0.326 0.326 1,3-Butadieen 0.048 4.163 4.163 4.163 3-Methyl-l-Buteen 0.001 l-Butyn 0.008 0.058 0.058 0.058 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 0.004 0.004 Light Oil 0.158 157.883 157.883 157.883 Kooldioxide 0.497 0.029 0.029 0.029 Koolmonoxide 0.286 0.003 0.003 0.003 Stikstof 10.755 0.060 0.060 0.060 Zuurstof 0.257 0.003 0.003 0.003 Furfural Water 0.282 0.038 0.038 0.038 Totaal 12.332 163.208 163.208 163.208

I

Enthalpie [kW]

I

8711

I

11020

I

11080

I

41960

I

(40)

FVO-2983 Apparaatstroom 25 26 27 28 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.001 Etheen Propaan Propeen 0.006 l-Buteen 0.l71 0.002 0.002 0.002 Cs-2-Buteen 0.463 0.019 0.019 0.0019 Ts-2-Buteen 0.326 0.009 0.009 0.009 1,3-Butadieen 4.163 0.071 0.071 0.071 3-Methyl-l-Buteen l-Butyn 0.058 0.014 0.014 0.014 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 Light Oil 157.883 158.041 158.041 158.041 Kooldioxide 0.029 Koolmonoxide 0.003 Stikstof 0.060 Zuurstof 0.003 Furfural Water 0.038 0.002 0.002 0.002 Totaal 163.208 158.158 158.158 158.158 Enthalpie [kW] 73290 102000 101700 70370 30

(41)

FVO-2983 Apparaatstroom 29 30 31 32 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.001 Etheen Propaan Propeen 0.006 1-Buteen 0.002 0.002 0.l71 0.001 Cs-2-Buteen 0.019 0.019 0.444 0.003 Ts-2-Buteen 0.009 0.009 0.318 0.002 1,3-Butadieen 0.071 0.071 4.107 0.015 3-Methyl-1-Buteen l-Butyn 0.014 0.014 0.042 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 Light Oil 158.041 158.041 Kooldioxide 0.029 Koolmonoxide 0.003 Stikstof 0.060 Zuurstof 0.003 Furfural Water 0.002 0.002 0.142 0.103 Totaal 158.158 158.158 5.330 0.124

I

Enthalpie [kW]

_I

39490

_I

8220

_I

2558

_I

-115

_I

(42)

FVO-2983 Apparaatstroom 33 34 35 36 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.001 Etheen Propaan Propeen 0.006 1-Buteen 0.001 0.001 0.171 Cs-2-Buteen 0.003 0.003 0.440 Ts-2-Buteen 0.002 0.002 0.316 1,3-Butadieen 0.015 0.015 4.092 3-Methyl-l-Buteen l-Butyn 0.042 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 Light Dil 0.158 0.158 0.158 Kooldioxide 0.029 Koolmonoxide 0.003 Stikstof 0.060 Zuurstof 0.003 Furfural Water 0.103 0.103 0.039 Totaal 0.158 0.282 0.282 5.206

I

Enthalpie [kW]

I

13

I

-105

I

277

I

2423

_I

32

(43)

FVO-2983 Apparaatstroom 37 38 39 40 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan 0.001 0.001 Etheen Propaan Propeen 0.006 0.006 1-Buteen 0.171 0.170 0.001 Cs-2-Buteen 0.440 0.374 0.066 Ts-2-Buteen 0.316 0.303 0.013 1,3-Butadieen 4.092 0.021 4.076 0.005 3-Methyl-l-Buteen 1-Butyn 0.042 0.042 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 0.004 Light Oil Kooldioxide 0.029 0.029 Koolmonoxide 0.003 0.003 Stikstof 0.060 0.060 Zuurstof 0.003 0.003 Furfural 23.946 23.928 Water 0.039 0.002 0.127 0.127 Totaal 5.206 0.972 28.275 24.060

I

Enthalpie [kW]

I

2413

I

72

I

-848

I

3757

I

(44)

FVO-2983 Apparaatstroom 41 42 43 44 Componenten M M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan Etheen Propaan Propeen l-Buteen Cs-2-Buteen ) Ts-2-Buteen 1,3-Butadieen 0.005 0.005 3-Methyl-l-Buteen l-Butyn Carbonzuur Vinyl-Acetyleen Light Oil Kooldioxide Koolmonoxide Stikstof Zuurstof Furfural 23.928 0.018 23.946 Water 0.127 0.037 0.090 Totaal 24.060 0.037 0.018 24.041

I

Enthalpie [kW]

_I

-4853

_I

-42

_I

-10

_I

-4821

I

34

(45)

FVO-2983 Apparaatstroom 45 46 47 Componenten M M M [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ Ethaan Etheen .J Propaan Propeen 1-Buteen 0.001 0.001 Cs-2-Buteen 0.066 0.003 0.063 .~j Ts-2-Buteen 0.013 0.002 0.011 1,3-Butadiëen 4.071 4.048 0.023 3-Methyl-1-Buteen 1-Butyn 0.042 0.042 Carbonzuur Vinyl-Acetyleen 0.004 0.004 J Light Oi1 Kooldioxide Koolmonoxide Stikstof Zuurstof Furfural 0.018 0.018 Water Totaal 4.215 4.054 0.161

I

Enthalpie [kW]

I

40

I

1729

I

40

_I

(46)

-FVO-2983

9. OVERZICHT SPECIFICATIE APPARATUUR

9.1 Apparatenlijst voor Diversen

APPARAAT R3 T5 T7 TlO

NUMMER

Benaming Reactor Scheider Stoomstripper Wastoren

Type Fixed Bed Schotelkolom Schotelkolom

Abs. Druk 2.7 2.3 2.7 2.3 [bar] Temp [0C] Top 504 49 127 41 Bodem 665 49 129 49 V [mJ] 3*35 331 D [m] 5.3 H [m] 15

Vulling katalysator 3 Schotels 9 Schotels 9.5 m3

~ O.3cm

Materiaal C-staal C-staal roestvri j staal C-staal

# serie 3 parallel 1 1 1

(47)

J

FVO-2983

APPARAAT TIl TIS Tl8 T21

NUMMER

Benaming Absorber Oliestripper Scheider Extractieve

C4/water destillatie

Type Schotelkolom Schotelkolom

Abs. Druk 2.3 5.5 5.5 4 [bar] Temp [0C] 49 Top 42 50 15 Bodem 46 260 105 V [m3 ] 120 79 55

o

[m] 3.2 2.0 1.3 H [m] 15 25 45

Vulling 30 Schotels 24 Schotels 90 Schotels

voeding 1 1 19 4

voeding2 30 24 48

Materiaal C-staal C-staal C-staal C-staal

(48)

FVO-2983

APPARAAT T22 T25 V8 S24

NUMMER

Benaming Stripper Destillatie- Buffervat Opwerking

kolom

absorbtie-Type Schotelkolom Schotelkolom Vat middel

Abs. Druk 4 4 2.7 4.0 [bar] Temp

[0C]

130 38 Top 39 37 Bodem 216 48 V [m3 ] 13 33 D [m] 1.5 1.1 H [m] 7 35

Vulling 7 Schotels 70 Schotels

Voeding 1 7 27

Voeding2

Materiaal C-staal C-staal C-staal roestvrij staal

# serie 1 1 1 1

(49)

FVO-2983

APPARAAT

Fl

F2

NUMMER

Benaming Verdamper Fornuis

Medium water/stoom stoom/lucht

Q[kW]

18812

49669

Abs. druk

1/2.7

2.7/2.7

in/uit [bar]

Tin/uit [0C]

25/130

129/505

(50)

FVO-2983

APPARAAT P6 P12

NUMMER

Benaming Waterpomp Oliepomp

Type

Medium water verrijkte oliestroom Capaciteit 59 163 [kg/sJ Dichtheid 966 706 [kg/m3] Zuigdruk 2.3 2.3 Persdruk 2.7 6.2 [bar] Tin/uit 49/49 46/46 [0C] P [kW] -theorie 2.7 90 -praktijk 3.6 120 Aantal 1 1

Materiaal C-staal C-staal

(51)

FVO-2983

9.2 Warmtewisselaarspecificatiebladen

APPARAATNUMMER: H4 Aantal: 20 parallel Algemene Eigenschappen Functie : Koeler reactoreffluent R3

Type : Koeler Uitvoering : Haarspeld Positie : Horizontaal

Capaciteit : 8800 [kW]

Berekend warmtewisselend oppervlak : 502 [m2 ]

Overall warmte-overdrachtscoefficie"nt : 50 [W/m2_K] Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD) : 194 lOC] Aantal passages pijpzijde : 8

Aantal passages mantelzijde : 1 Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.90

Gecorrigeerde LMTD : 175 lOC]

Bedrijfscondities

Mantelzijde Pij pzij de

Soort fluïdum koelwater stroom 8

Massastroom [kg/sj 207.16 3.83

Gemiddelde cp [kJlkg°C] 4.184 2.214

Temperatuur IN [0C] ₂₀ ₆₆₅

Temperatuur UIT [0C] 40 49

Druk IN [bar] 3.0 2.7

Druk UIT [bar] 3.0 2.3

(52)

FVO-2983

APP ARAA TNUMMER: H9 Aantal: 10 parallel

Algemene Eigenschappen

Functie : stoom produktie

Type : reboiler

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Berekend warmtewisselend oppervlak : 1495 [m2]

Overall warmte-overdrachtscoefficie"nt : 80 [W/m2K]

Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD) : 96 lOC]

Aantal passages pijpzijde : 8

Aantal passages mantelzijde : 1

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.94

Bedrij fscondities

Mantelzijde Pij pzij de

Soort fluïdum oververhitte stroom 14

stoom Massastroom [kg/sj 12.278 6.11 Gemiddelde cp [kJlkg°C] 2.180 4.271 Temperatuur IN [0C] 410 130 Temperatuur UIT [0C] 150 138 Druk IN [bar] 40 2.7

Druk UIT [bar] 34 2.7

J

(53)

FVO-2983

APPARAATNUMMER: H13 Aantal: 5 parallel Algemene Eigenschappen

Functie : koelen stroom 28 met stroom 23 Type : warmtewisselaar

Uitvoering : haarspeld Positie : horizontaal

Overall warmte-overdrachtscoefficie"nt : 100 [W/m2K] Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD) : 74 [OC] Aantal passages pijpzijde : 8

Gecorrigeerde LMTD : 58

Bedrijfscondities

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum stroom 23 stroom 28

Massastroom [kg/s] 32.63 31.63

Gemiddelde cp [kJ/kgOC] 2.553 2.918

Temperatuur IN [0C] 46 195

(54)

FVO-2983

APPARAATNUMMER: H 14 Aantal: 5 parallel Algemene Eigenschappen Functie : koelen stroom 27 met stroom 24

Type : warmtewisselaar Uitvoering : haarspeld

Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD) : 67 lOC] Aantal passages pijpzijde

: 8

Bedrijfscondities

Gemiddelde cp [kJlkgOC] 2.918 3.342

Temperatuur IN [0C] ₁₂₅ 259

(55)

FVO-2983

APPARAATNUMMER: H16 Aantal: 1

Functie : opwarmen stroom 34 met stroom 26

Type : warmtewisselaar

Correctiefactor LMTD (min. 0,75) : 0.99

Bedrijfscondities

Temperatuur UIT lOC] 196 259

(56)

FVO-2983

APPARAATNUMMER: H17 Aantal: 10 parallel Algemene Eigenschappen

Functie : koelen stroom 29 Type : koeler

Uitvoering : haarspeld Positie : horizontaal

Overall warmte-overdrachtscoefficieOOnt : 100 [W/m2K] Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD) : 45 lOC]

Aantal passages pijpzijde : 8 Aantal passages mantelzijde : 1 Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.83

Bedrijfscondities

Gemiddelde cp [kJlkg°C] 4.184 2.223

Temperatuur UIT lOC] 20 41

(57)

FVO-2983

APPARAATNUMMER:H23 Aantal: 1

Functie : koelen stroom 40

Type : koeler

Berekend warmtewisselend oppervlak : 1189 [mZ]

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.82

Bedrijfscondities

(58)

FVO-2983

10. ECONOMISCHE BESCHOUWINGEN

10.1 Investeringen

Voor de bepaling van de investeringskosten (fixed capital casts) zijn verschillende methodes te gebruiken. Als basisjaar is, in verband met de beschikbaarheid van economische gegevens, gekozen voor 1990. De totale investeringen van een Nederlandse chemische fabriek kunnen in vier groepen onderverdeeld worden:

I_B(64%): IH(16%):

IL(14%):

Iw(6%) :

Investeringen in proceseenheden, on site,

Investeringen in hulpapparatuur, on en olf site,

Investeringen in niet-tastbare zaken (opstart kosten, know-how),

Werkkapitaal, cash, voorraden en terreinen.

I_Ben IH worden samen aangeduid met de term jixed capital, I_F• Een schatting van deze

investeringskosten wordt aan de hand van drie methoden gedaan; de Omzetmethode, de Zevnik-Buchanan methode en de Taylor methode.

10.1.1 De Omzetmethode

Voor een ruwe benadering van de investeringskosten wordt gebruik gemaakt van de omzetmethode. Deze methode is gebaseerd op de gedachte dat er verband bestaat tussen de omzet en de investering voor een bepaald produkt:

waarm: _ V _ 1 r -v I r I (4)

rv = 1/r[ = kapitaalomloopsnelheid= turnover ratio= TOR = het aantal malen dat het geïnvesteerde kapitaal per jaar wordt omgezet.

V = geldomzet van het produkt per jaar. I = investering.

De investering bedraagt 108 Mfl. bij een produktie van 120 000 ton/jaar. Hierbij IS uitgegaan van een TOR van 1 [Iit 6] en een butadieenprijs [lit 12] van fl. 930/ton.

(59)

FVO-2983

10.1.2 Stapmethodes

10.1.2.1 De methode Zevnik-Buchanan

Bij deze methode wordt er vanuit gegaan dat de investeringen alleen een functie van de procescapaciteit en de procescomplexiteit zijn.

De complexiteit wordt uitgedrukt in de complexity factor. deze is afhankelijk van de maximaal te bereiken druk en temperatuur in het proces en de materiaalkeuze.

De grootte van deze factoren wordt gegeven door Montfoort (li t 11]:

temperatuursfactor drukfactor materiaalfactor Ft

=

0.068 Fp

=

0.08 Fm

=

0.02

De complexity factor wordt gegeven door:

Het proces kan worden opgedeeld in 10 functionele eenheden:

1-3. Reactie sectie (F I, F2 en R3)

4. Warmtewisselaar. flash en was sectie (H4, T5 en TIO) 5. Stoomstripper sectie (P6, T7, V8 en H9)

6. Absorber sectie (TIl, H17, H13, Hl4 en Pl2) 7. Oliestripper sectie (TI5, Hl5, M20 en T18) 8. Extractieve destillatie sectie (T20 en S23) 9. Stripper sectie (T21 en H22)

10. Destillatie sectie (T24)

(5)

(60)

J

FVO-2983

De investering in de proceseenheden en hulpapparatuur (fixed capital

1)

wordt nu berekend volgens:

waarm: N = het aantal functionele eenheden = 8. IE

=

prijs per functionele eenheid

=

1 M$.

(6 )

C[= indexcijfer voor de chemische industrie in de VS (= 358 in 1990). IB

=

investering in proceseenheden in k$.

Invullen van de gegeven waarden in formule [3] levert een I_fvan 21.8 M$. Formule 4 kan ook als volgt geschreven worden:

waarm: p = produktie van de fabriek in kilotonnen. m = degressie-exponent =0.6.

Invullen van de gegeven waarden in formule 4 levert een IB van 18.6 M$ (1990).

10.1.2.2. De methode van Taylor

(7)

Voor de methode van Taylor wordt dezelfde procesindeling gehanteerd als in de methode van Zevnik-Buchanan. De investering in proceseenheden wordt verkregen met de formule:

waann: f = costliness index

Cy

=

EPE-index

(8 )

f Wordt verkregen door voor alle proceseenheden de complexity factoren Sj te sommeren. Deze staan in tabel 10.1

(61)

...J

FVO-2983

Tabel 10.1: Berekening van de costliness-indices per proceseenheid

[J

DOORZE MATERIAAL Tmax TOTALE COSTLINESS

T SCORE SCORE SCORE INDEX

SCORE 1

5.5

0 1

6.5

5.5

2

5.5

0 1

6.5

5.5

3

5.5

0 1

6.5

5.5

4

2.5

1 0

3.5

2.5

5

1 0

6

4.8

6

7 0 0 7

6.3

7 7 0 0 7

6.3

8

4 0 0 4

2.8

9 4 0 0 4

2.8

10 0 0 0 0 1

De totale costliness-index komt hiermee op 43. Voor de investering wordt gevonden 30.9 M$ (1990). Dit is een hogere waarde dan die volgens Zevnik-Buchanan. De Taylor methode houdt met meer factoren rekening dan de hiervoor gebruikte Zevnik-Buchanan methode en is daarom waarschijnlijk nauwkeuriger.

10.2 Kosten

10.2.1 Variabele kosten

De variabele kosten bestaan uit de grondstoffen en de hulpstoffen benodigd bij de procesvoering. De hoeveelheden en kosten van deze stoffen staan in tabel 10.2 vermeld, waarbij de uiteindelijke kosten in guldens per jaar worden uitgedrukt.

De prijs van furfural is geschat uit gegevens uit 1970 [lit 13]. De prijs voor de lichte olie is geschat aan de hand van de benzineprijs. De katalysator wordt iedere drie jaar vervangen en wordt meegerekend bij de variabele kosten. De onbekende prijs van de katalysator is geschat aan de hand van andere fabrieksvoorontwerpen.

(62)

FVO-2983

Tabel 10.2: Kosten van grondstoffen en bedrijfsmiddelen [lit 14] voor de produktie van 116 000 kton butadieen per jaar.

(kton/jaar) (HflIton) (mln HflIjaar)

C4-voeding 196.6 234 46 lichte olie 3.5 600 2.1 furfural 0.5 2000 1.0 koelwater 13400 0.4 5.6 MP-stoom 354.2 30 10.6 water 207 0.4 0.1 katalysator 0.52 200000 10.4 (Kw) (HfllKwh) (mln HflIj aar) electriciteit 104 0.10 0.1

De totale variabele kosten komen hiermee op 75.9 miljoen fl.

10.2.2 Vaste kosten

10.2.2.1 Onderhoudskosten

De onderhoudskosten zijn geraamd op 4% van de totale investering en bedragen derhalve 2.2 miljoen. De aanname die hierbij gedaan is, is dat de, met behulp van de methode van Taylor berekende investering de meest waarschijnlijke is en dat de dol-larkoers Hfl. 1. 7 5/$ is.

10.2.2.2 Arbeidskosten

Voor de berekening van de arbeidskosten is gebruik gemaakt van de Wesselrelatie:

manuren =k ____*

a_a_n_t_a_l_s_t_a~p~p~e_n

* *

tonprodukt

(kapaci tei ti dag)

0.87

(9 )

waarin: k= bedrij fsvoeringsfactor

(63)

,--'

FVO-2983

De waarde van k voor een kontinuproces was in 1986 1.7. Door de jaarlijkse produktivi-teitsstijging van 6% heeft k in 1990 een waarde van 1.32. Het aantal stappen is 8 en de capaciteit is 320 ton/dag. Dit levert 0.11 manuren per ton butadieen. Het bijbehorende aantal functieplaatsen/stap is l.S. De arbeidskosten zijn in 1986 geraamd op 350 kfl per functieplaats. Met een jaarlijkse stijging van 6% geeft dit voor 1990 440 gulden per functieplaats. Met een ploegen dienst (bijv. 3x8 uur) en een zekere reserve i.v.m. vakantie en ziekte komt het defmitieve aantal op 7.5 functieplaatsen. De totale loonkosten worden dan 3.3 miljoen gulden.

10.3 De opbrengst

De butadieenprijs bedraagt in 1990 530 $/ton [lit 21]. Met de dollarkoers van fl. 1.75/$ komt dit neer op fl. 930/ton. De totale opbrengst bedraagt dan 108* 1 06Hfl.

De andere processtromen dienen uitsluitend ter verbranding in de fornuizen en worden niet als zodanig verkocht. Een reële schatting van deze opbrengst (besparing) is niet te maken en derhalve op nul gesteld.

10.4 Overzicht

Een overzicht van de berekende kosten, investeringen en opbrengsten In miljoenen

guldens:

TOT ALE (SEMI)-VARIABELE KOSTEN 75.9

ONDERHOUDSKOSTEN 2.2

LOONKOSTEN "I "I .) . .)

+

TOTALE KOSTEN 81.4

TOT ALE INVESTERING 54.1

TOT ALE OPBRENGST 108.0

10.5 Afschrijvingen

Voor de berekening van de afschrijving van deze fabriek wordt gebruik gemaakt van de

(64)

FVO-2983

tijd afgeschreven. De restwaarde bedraagt nul. De afschrijfkosten per jaar worden gegeven door de volgende relatie:

z = 2 (n-d+l) (a-s)

d n(n+l)

De boekwaarde (bJ in jaar d wordt gegeven door:

waarm:

(n-d) (n-d+ 1) bd=s+(a-s)~--~~~--~

n(n+l)

n

=

afschrijvingsperiode d

=

jaar van afschrijving s

=

restwaarde

a

=

waarde aan het begin van de afschrijving

De berekende waarden voor afschrijvingen en boekwaarde staan in tabel 10.3.

(10)

(11)

(65)

FVO-2983

Tabel 10.3: Overzicht van enkele economische gegevens met alle bedragen in miljoenen guldens.

EJ

Opbrengst Kosten Boekwaarde Afschri j ving Netto ROl Winst [%] 0 108 75.9 54.1 1 108 75.9 44.3 9.8 11.2 20.1 2 108 75.9 35.4 8.9 11.6 21.4 3 108 75.9 27.5 7.9 12.1 22.4 4 108 75.9 20.6 6.9 12.6 23.3 5 108 75.9 14.7 5.9 13.1 24.2 6 108 75.9 9.8 4.9 13.6 25.1 7 108 75.9 5.9 3.9 14.1 26.1 8 108 75.9 2,9 3.0 14.6 27.0 9 108 75.9 0.9 2.0 15.1 27.9 10 108 75.9 0 0.9 15.6 28.8

10.6 Return on investment (ROl)

Return on investment (ROl) is de verhouding van de netto winst en de totale investering. De netto winst wordt als volgt berekend:

Netto winst

= 0.5

*

(opbrengst - kosten - afschrijvingen)

De factor 0.5 staat voor 50% belasting. De berekende ROl waarden staan in tabel 11.3 vermeld.

(66)

-.../'

' J

FVO-2983

10.7 Pay-out time (POT)

Pay out time (POT) volgt uit:

L

POT

E =I -I +5

l o t w (12)

waarin: Eo het exploitatieoverschot lS, het verschil tussen de opbrengst en de

kosten.

De berekende POT is 1.6 jaar.

10.8 Internal Rate of Return (IRR)

Intemal rate of return (IRR) is een methode die, in tegenstelling tot beide voorgaaride

-' methoden rekening houdt met de verandering van de waarde van geld in de tijd. Hierbij worden over de looptijd van een project de cash flows omgerekend op de huidige waarde met een zodanig return percentage, dat de som van de verdiconteerde cash flows over de looptijd gelijk is aan nul. De IRR is een maat voor het rendement van het geïnvesteerde vermogen, en dient hoger te zijn dan de rente om een project economisch aantrekkelijk te maken.

~I

De IRR wordt berekend met de volgende vergelijking:

De IRR is 21 %.

I= ",,10

LJn=l (13)