De bereiding van methacrylzuur via methacrylonitril

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Nr:

2651

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

...

~.~

...

4.~_

..

g~~~~E

___

~.~

..

~~.~

..

J:..~.~.~~9.~_t;:.t?. ______ ...

onderwerp:

...

_._ ...

_p._~

...

1;l.~r.~idi.ng .. y.an .. m.e.thac:r.y.lzuur ... .

... y.ia .. ro~:thac:ql.oni.tr:il ... .

adres: Datheenstraat 293, Vlaardingen Schollevaarstraat 21, Maassluis

opdrachtdatum: nov. 1985 verslagdatum : juli 1987

•

•

•

•

•

I

.

•

I

•

•

\

.

.>-, \~\, C.i'f-\ Ir '~~' "I C( /~ t~ _'.(.

_'\

v

/v

Nr'. ( I

v,,

J ' /

L

__

---SAMENVATTING

In dit verslag wordt het fabrieksvoorontwerp _{voor de produktie} van methacrylzuur besproken. De ontworpen _{fabriek heeft een}

-_{capaciteit van 10000 ton/jaar.} De vorming van ~hacrylzuur

vindt in twee stappen plaats. Eerst wordt door ammoxidatie van isobuteen _{methacrylonitril gevormd.} Dit gebeurt bij 470 oe in een pijpenreaktor _{die gekoeld wordt met} zout.

Het rendement van deze reaktie is 91%. De selectiviteit naar methacryloni r11 bedraagt 70%.

Na de eerste reaktor wordt de methacrylonitril _{stroom gekoeld tot}

73 oe _{in een quenchtoren. Bij de volgende stap wordt}

het nitril samen _{met de bij de}

ammoxidatie ontstane bijprodukten waterstofcyanide en acetonitril geabsorbeerd _{in water. Nadat} achtereenvolgens _{het waterstofcyanide,}

het _{water en het} acetonitril uit de produktstroom verwijderd _{zijn wordt zwavelzuur}

toegevoegd, _{zodat methacrylamide}

ontstaat. _{Door bij het}

methacrylamide en het nog aanwezige zwavelzuur _{water te voegen}

ontstaat het methacrylzuur. Deze twee laatste _{omzettingen vinden} in geroerde tankreactoren plaats. De eerste _{omzetting wordt}

uitgevoerd bij 95°e en heeft een rendement _{van 98%, de tweede} omzetting wordt uitgevoerd bij 1300

e en heeft een rendement van

99%. Er worden geen bijprodukten gevormd.

Door extractieve destillatie van het de _{de laatste reaktor} komende stroom wordt methacrylzuur _{verkregen met een zuiverheid} van 99.5%. Deze extractieve _desti~latie

wordt uitgevoerd met een mengsel van methylethylketon en met axyleen.

Uit de economische analyse blijkt dat de ROl _{IRR 11. 6} % _is. 3.37 % _{is en dat de}

Het proces heeft economisch gezien een kans van _{slagen. En nadere} uitwerking _{van de verschillende}

processtappen _{en een}

gedetaileerder onderzoek naar de verwerking _{van de afvalstromen} is noodzakelijk om een definitieve conclusie _{over de commercieele}

•

•

•

•

•

I

•

•

I

"

•

•

i

I

I

.

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

Uit de berekeningen volgt dat bij de ammoxidatie van isobuteen in de pijpenreaktor een conversie bereikt wordt van 91%. De vorming van methacrylamide door reaktie van het methacrylonitril met zwavelzuur e de daarop volgende vorming van methacrylzuur door toevoeging van water hebben een conversie van respectievelijk 99% en 98%. Geconcludeerd mag worden dat bij alle in het proces

voorkomende reaktiestappen een voldoende hoge conversie bereikt wordt.

In een eventueel volgende ontwerpfase kan voor het ontwerpen van de pijpenreaktor een verfijnder model gebruikt worden, waarbij bijvoorbeeld het niet isotherm zijn van het koelmedium en een radiaal temperatuur profiel in de reaktorbuizen meegenomen kan worden.

Bij de amide- en zuurvorming ln de geroerde tankreaktoren worden geen bijprodukten gevormd. De ammoxidatie heeft echter een selectiviteit van +/- 70%. Getracht moet worden dit met katalysator ontwikkeling te verbeteren, zodat enerzijds de grondstoffen effectiever benut worden en anderzijds de zuivering van het reaktieprodukt vereenvoudigd kan worden.

Bij een verdere uitwerking van het proces zullen de opwerking van de HCN en acetonitril stromen nader beschouwd moeten worden. Het proces heeft in principe het nadeel dat er een grondstof

(NH3 ) gebruikt wordt die niet in het eindprodukt voorkomt. Een

groot deel van de in het proces ingevoerde hoeveelheid ammoniak komt het proces uit als ammoniumsulfaat. Dit ammoniumsulfaat zit met name in de zwavelzuur/water/ ammoniumsulfaat stroom (37) uit

de extractor. Opwerking van geven, waarb ij hulpstof in het

deze stroom zou ammoniumsulfaat als bijprodukt het eventueel teruggewonnen zwavelzuur, een dure proces, opnieuw gebruikt kan worden.

De tankreaktoren en de extractor zullen van een materiaal gemaakt moeten worden dat tegen verdund zwavelzuur bestand is.

Monel lijkt hiervoor geschikt, maar nader onderzoek zou een betere en/of goedkopere oplossing kunnen geven. Dit corrosie aspect zal ook bij de opwerking van stroom (37) naar voren komen.

Uit de berekeningen van bijlage 6 blijkt dat de stromen 5 en 7 zich binnen de explosiegrenzen bevinden en dit voorkomen zou kunnen worden door eerst isobuteen en ammoniak te mengen, daarna het water toe te voegen en tenslotte de lucht bij te mengen. Het extractiemiddel voor het scheiden van water en methacrylzuur,

een mengsel van methylethylketon en m-xyleen blijkt zeer geschikt, omdat het mengsel een gunstige verdelingscoefficient heeft en er vrijwel geen extractiemiddel verloren gaat.

Het proces heeft als voordeel dat er ook alleen methacrylonitril geproduceerd kan worden, als bijvoorbeeld in het gedeelte na de acetonitrilkolom (T26) storing op zou treden. Valt in het gedeelte waar methacrylonitril geproduceerd wordt een onderdeel uit dan kan door direkt methacrylonitril in reaktor R32 te voeren

toch met acryl zuur bereid worden.

•

•

•

•

•

•

•

•

1

•

•

•

Uit de economische analyse blijkt dat de ROl 3.27 % is. De internal rate of return (IRR) is gelijk aan 11.6 %. Hieruit volgt dat het nu ontworpen proces economisch gezien een kans van slagen

heeft. Een nadere uitwerking en optimalisering van de

verschillende processtappen en een gedetaileerder onderzoek naar de verwerking van de afvalstromen is noodzakelijk om een definitieve conclusie over de commerciele haalbaarheid van het proces te trekken.

I I

i

.

'

.

I

I

\

.

•

•

I I

I

.

•

I

•

•

•

•

•

- --_._-- - -INDEX SAMENVATTING CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN INDEX 1. INLE ID ING 2. ONTWERPGEGEVENS 2.1 Fabriekscapaciteit 2.2 Fysische constanten 2.3 Veiligheid 2.4 Explosiegrenzen

3. BESCHRIJVING VAN HET PROCES

4. MOTIVERING EN BEREKENING APPARATUUR 4.1 Pijpenreaktor 4.2 Quenchtoren 4.3 Absorber en regenerator 4.4 HCN- , ontwaterings- en acetonitrilkolom 4.5 Tankreaktoren 4.6 L-L extractie- en produktkolom 4.7 Pompen en compressoren 4.8 Warmtewisselaars 4.9 Gasvloeistofscheiders 5. MASSA- EN WARMTEBALANSEN 6. APPARAATLIJSTEN 7. ECONOMISCHE ANALYSE 8. SYMBOLENLIJST 9. LITERATUURLIJST

BIJLAGE 1: Berekening pijpenreaktor BIJLAGE 2: De regenerator

BIJLAGE 3: De ontwateringskolom BIJLAGE 4: De waterstofcyanidekolom BIJLAGE 5: De extraktiekolom

BIJLAGE 6: Berekening explosiegrenzen BIJLAGE 7: Economische analyse

9 3 5 9 11 15 15 17 19 21 25 33 33 37 39 41 43 51 53 55 57 59 79 107 109 117 121 133 135 139 141 145 155

r -- - - -- - - - -- - - -- -- - - -- -

-•

•

I.

I

.

•

•

•

•

•

•

•

1. INLEIDING

Methacrylzuur werd voor het eerst in 1865 uit ethylmethacrylaat, hetgeen verkregen werd door hydratatie van ethyl-~

hydroxyisobutyraat bereid [1].

De kommerciele interesse-in de polymeren van methacrylzuur(MAZ) begon in de jaren 30 [2-6].

Bij de produktie van methacrylaten ging men in van acetoncyanohydrin, dat werd omgezet hydroxybutyraatester om vervolgens door middel met fosforpentachloride [7] uiteindelijk het verkrijgen.

de beginfase uit naar de ex-van dehydratatie

methacrylaat te In 1934 werd een proces geoctrooieerd voor de omzetting van acetoncyanohydrin naar methacrylamidesulfaat. Dit sulfaat werd vervolgens gehydrolyseerd en veresterd tot de methacrylaatester

[8] •

Dit proces vormt produktiemethoden.

de basis voor alle latere kommerciele Tegenwoordig wordt methylmethacrylaat geproduceerd door Rohm

&

Haas, E.I. du Pont de Nemours

&

Co., Cy/Ro Industries, ICI, Rohm GmbH, Mitsubishi Rayon en Asahi Chemical.

Voorgestelde routes en kommerciele methoden zijn samengevat in figuur 1.

Uit deze figuur blijkt, dat bepaalde koolwaterstoffen een zeer belangrijke plaats innemen

Een produktieroute is uiteraard alleen dan kommercieel aantrekkelijk, wanneer de kosten gunstig uitvallen t.o.v. het bestaande cyanohydrinproces. Hierbij denke men in het bijzonder aan grondstofkosten en operationele kosten, zoals de kosten van energie, zuivering en de opslag en verwerking van afvalprodukten. Ondanks het feit, dat de gas- en olieprijzen zeer recentelijk enorm zijn gedaald is de algemene verwachting toch, dat de pr1Jzen weer geleidelijk aan zullen stijgen.

Hiermee samenhangend zullen ook de ethyleenkosten stijgen. Omdat propyleen als bijprodukt van de ethyleenproduktie beschouwd kan worden zal ook de kostprijs van propyleen de prijs van de ruwe olie volgen. De propyleenprijs zal echter onder de ethyleenprijs blijven.

C4-(amm)oxidatie technologie is de meest waarschijnlijke basis voor toekomstige methacrylzuurprocessen.

Isobutyleen is een hoofdkomponent in de C4-stroom van ethyleen-plants en tertiair butylalcohol wordt als bijprodukt verkregen in het oxiraanproces bij de bereiding van propyleenoxide [9].

Nadelen van het acetoncyanohydrinproces zijn:

a- relatief hoge grondstofprijzen (aceton, HCN, methanol en zwavelzuur) .

b- een grote hoeveelheid afvalzuur.

c- het waterstofcyanide, dat voornamelijk verkregen wordt als bijprodukt van de acrylonitrilproduktie, zal door de opmars van betere katalysatoren voor dit proces schaarser en dus duurder worden. Bovendien zal de produktie van methacrylzuur vrijwel zeker harder toenemen dan de acrylonitrilproduktie.

,--- ---

---•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Omdat een nadere beschouwing van alle mogelijke

methacrylzuurprocessen te ver zou voeren bespreken we alleen het ammoxidatieproces (SOHIO-proces) [10].

Dit proces is gebaseerd op een katalytische omzetting van isobuteen in de gasfase, gevolgd door hydratatie van het gevormde methacrylonitril tot methacrylzuur. De voornaamste bijprodukten van de gasfase ammoxidatie zijn acetonitril en waterstofcyanide. Het proces biedt onderstaande voordelen ten opzichte van het acetoncyanohydrinproces [11]:

a- lagere grondstofkosten

b- de hydratatiestap vertoont een hogere opbrengst c- bij de hydratatiestap is minder zuur noodzakelijk,

hetgeen de zuiveringsproblemen aanzienlijk beperkt.

Methacrylzuur wordt voornamelijk omgezet in speciale esters en de

belangrijkste derivaat van methacrylzuur, namelijk

methylmethacrylaat wordt vooral toegepast als grondstof voor verschillende kunsstoffen, zoals plexiglas en perspex [12].

I

.

•

I

.

•

I

.

I

I

I

•

•

•

·

,

,

•

•

•

2. ONTWERPGEGEVENS 2.1. FABRIEKSKAPACITEIT

Tabel 1 geeft een goed beeld van de groei van de methylmethacrylaatproduktie van 1967 tot 1977 in de Verenigde Staten van Amerika, waarbij aangetekend dient te worden, dat de produktieafname in 1975 een gevolg is van een algehele ekonomische terugval in dat jaar

De belangrijkste producenten in de V.S. zijn: Cy/Ro Industries

Dupont Rohm

&

Haas

36.000 ton

199.000 ton

299.000 ton

In de gehele westelijke wereld lag in 1977 de methylmethacrylaatproduktie rond de 750.000 ton per jaar.

De pr1Jsgroei van enkele belangrijke methacrylzure esters is weergegeven in tabel 2.

Als uitgangspunt voor dit ontwerp is een produktiekapaciteit gekozen van 10.000 ton/jaar MAZ gebaseerd op 300 dagen per jaar.

I I

•

•

•

•

•

•

•

•

.-I

•

•

2.2 LIJST MET FYSISCHE CONSTANTEN

stof M n.b.p. p T

k Pk lllif gr/mol °C kg/m3 _{°C atm. kJ/mol}

HzO 18.02 100.0 997.5 347.2 218.3 -242.0 Nz 28.01 -195.8 806.4 -146.9 33.5 0& 32.00 -183.0 1125.2 -118.4 50.1 CO& 44.01 - 78.5 825.3 31.04 72.9 -393.5 ISOBUTEEN 56.12

-

6.9 599.2 144.7 39.5 - 16.9 MACRLN 70.09 68.7 824.3 256.0 41.9 -123.1 HCN 27.03 25.7 697.6 183.5 48.9 132.0 ACETNTRL 41.05 81.6 785.0 274.7 47.7 87.8 METHACRNTR 67.08 92.0 798.5 281.4 88.8 140.6 ACRNTR 53.06 77.3 809.6 267.0 40.8 150.2 MEK 72.10 79.6 808.1 262.4 41.0 -238.6 MXYL 106.17 139.1 867.0 343.8 35.0 17.2 MACRACID 86.0 161.9 1012.9 336.9 41.0 -358.1 MACRLN

=

Methacroleine ACETNTRL

=

Acetonitril METHACRNTR

=

Methacrylonitril ACRNTR

=

Acrylonitril MEK

=

Methylethy1keton MXYL

=

Metaxyleen MACRACID

=

Methacrylzuur 17 ._- ---~

r

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2.3. VEILIGHEID ~

Methacrylzuur en Z1Jn esters kunnen zeer heftig polymeriseren. Om dit tegen te gaan worden inhibitoren toegevoegd. Methacrylzuur zelf wordt meestal gestabiliseerd met behulp van 100 ppm van de monomethylether van hydrochinon [11]. Het op deze W1Jze gestabiliseerde methacrylzuur moet als brandbare stof worden behandeld .

Bij opslag moet de temperatuur zo laag mogelijk zijn om oxidatie tegen te gaan, terwijl de effektiviteit van de inhibitor in een lucht atmosfeer beter is dan in een inerte atmosfeer.

Methacrylzuur (mp=-14°C) moet vooral in de vloeistoffase gehouden worden om een homogene verdeling van de inhibitor te waarborgen, zodat voorkomen wordt dat er plaatselijk heftige polymerisatie kan optreden.

Omdat methacrylzuur gevoelig is voor ultraviolette straling is donkere opslag het beste.

Door het korrosieve karakter van de verbinding moet het zuur worden opgeslagen in bijvoorbeeld roestvrij staal, aluminium of polyetheen.

De LD-50 waarde van methacrylzuur is 2.20 g/kg en het zuur is zeer bijtend voor ogen en huid [12]. Inademing van de damp kan ademnood (longoedeem) tot gevolg hebben.

De explosiegrenzen van methacrylzuur zullen in hoofdstuk 2.4 en bijlage VI worden behandeld.

keN

ç

'L •

\"

y-w?~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

\

•

•

2.4. EXPLOSIEGRENZEN

Ter bepaling van de explosiegrenzen [13] van een mengsel bij een bepaalde temperatuur gaat men in eerste instantie uit van de in de litteratuur bekende explosiegrenzen van de verschillende komponent en bij 25°C en atmosferische druk. Deze grenzen worden vervolgens aangepast voor de heersende temperatuur met behulp van onderstaande relatie:

t

Eb/o

=

E,.25 -blo

(1

± Q~Z5H-{!=~~)

)

(2-1) v In deze formule is t Eb/o de explosiegrens bovenste/onderste bij tOC de bovenste/onderste explosiegrens bij 25°C. H de verbrandingswarmte bij 25°C in v kcal/mol. t de beschouwde temperatuur in °C. (+/-) (+/-)

Vervolgens wordt dan de invloed van eventueel aanwezige inert en in rekening gebracht, waarna m.b.v. de wet van Chate1ier de explosiegrenzen van het mengsel kunnen worden berekend:

waarin _Ei b/ o m

E

_{b/ o} x. ~ Vervolgens gekorrigeerd formule:

=

=

=

100

=

---( t

(x/

E~/o)

(2-2 )

de bovenste/onderste explosiegrens van komponent i in de aktuele situatie.

de bovenste/onderste explosiegrens van het mengsel in de aktuele situatie

het volumepercentage van komponent i in het luchtvrije mengsel. worden voor de de zo berekende aanwezigheid van explosiegrenzen nog lucht via onderstaande

~/o-korrektie = ~/o

Iïoo=voï%(ïüëht)]

100 (2-3)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

In bijlage I zijn de uitgewerkte resultaten voor de processtromen 5,7,10 en 11 gegeven.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

3. BESCHRIJVING VAN HET PROCES.

De synthese van methacrylzuur vindt plaats in twee reaktiestappen. Eerst wordt methacrylonitril gevormd door ammoxidatie van isobuteen. Vervolgens wordt, na zuivering van het methacrylonitril, het zuur ~evormd door toevoeging van zwavelzuur en water.

De ammoxidatie van isobuteen wordt uitgevoerd in een pijpenreaktor. Deze reaktor bestaat uit ruim 10000 buisjes met een diameter van 0.03 en een lengte van 6 meter. De buizen zijn gevuld met Bi-Mo-W katalysator deeltjes vam 3 mmo Om de temperatuur in de reaktor in de hand te houden Z1Jn bij inlaatzijde van de reaktor de katalysator deeltjes verdund met inert materiaal. De warmte die bij de reaktie vrij komt 'wordt met

~zoutmengsel afgevoerd. Met behulp van dit zoutmengsel wordt het reaktiegas voordat het de reaktor ingaat opgewarmd tot 450°C Het zoutmengsel heeft een gemiddelde temperatuur van ongeveer 460 °C. De conversie in de reaktor is 91%. De selectiviteit voor methacrylonitril is 70% .

In de volgende processtap, de quench, wordt het reactiemengsel gekoeld van 470°C tot 73°C. In deze quench worden verdund zwavelzuur en de produktstroom in tegenstroom met elkaar in contact gebracht. De bodemstroom uit de quench bevat ammoniumsulfaat en verschillende hoogmoleculaire afval produkten. De topstroom wordt naar de absorber gevoerd, waar het methacrylonitril samen met het waterstofcyanide en het acetonitril uit de produktstroom geabsorbeerd wordt. Als absorbent wordt water gebruikt. De bodemstroom van de absorber wordt naar de regenerator gevoerd om het water te scheiden van het methacrylonitril, het HCN en het Acetonitril. Het water van de regenerator, dat een temperatuur heeft van 99°C wordt eerst met koelwater gekoeld tot 35°C, vervolgens met freon tot 2°C.

De produktstroom wordt nu via destillatie gezuiverd. beginnen wordt in de HCN-kolom (TI8) het HCN over

afgescheiden. De afgescheiden HCN stroom bevat nog een componenten waarvan acetonitril de belangrijkste is.

Om te

de top aantal

In de volgende kolom, de ontwateringskolom (T24) , wordt via de bodem een hoeveelheid water aan de produktstroom onttrokken. Tot slot wordt in de acetonitrilkolom (T26) het acetonitril uit de produktstroom verwijderd.

De bereiding van methacrylzuur uit het nitril wordt in twee reaktiestappen uitgevoerd. Eerst wordt er zwavelzuur toegevoegd aan het methacrylonitril om methacrylamide te vormen. Deze reaktie is exotherm en wordt uitgevoerd bij 95°C. De reaktie vindt plaats in twee parallele geroerde tankreaktoren, die ieder een reaktievolume van 10.2 m3 _{hebben. De verblijf tijd in de tanks} is 8 uur, de conversie die bereikt wordt is 99%.

Vervolgens wordt aan het methacrylamide water toegevoegd om methacrylzuur te vormen. Dit gebeurt eveneens in een geroerde tankreaktor. Deze reaktie verloopt bij 1300C en is endotherm, zodat er verwarmd moet worden met stoom. Het reaktievolume van de ontworpen tank is 12.5 m3_{, de verblijf tijd is 2.5 uur en de} conversie bedraagt 98%.

•

•

WATER

00

LUCHT H 1 VERWARMER H 2 VERWARMER C 3 COMPfIESSOIl H .. VElIWARMER R ~ PUPENREAC TOR T 6 QUENCH-IIOLOM

•

~

Zout

Î

•

T6

~

t

SPUI OEl'fCHVI.OEISTOFPOMP H 8 KOELER T 9 ABSORBER Hl0 KOELER H KOELER PIl RECYCLEPOMP

•

--, P7 I T13 Hl. PI!) HI6 KOELER

•

VI7 GASAfSCHEIDER

•

Spui P11

•

T13 I HCN-KOLOM H19 VERDAMPER P20 REFLUXPOMP H21 KOELER V22 GASAFSCHEIDER P 23 VOEDINGSPOMP T 2.

•

•

•

•

Koelwater naar HCN-~rwerkÎng 24) ~ 23~ ~naarT24 P23 Schema 1 PROCESSCHEMA van METHACRYlZUURFABRIE K R.de RUITER F.\l0. re 2651 W LEENHOUTS november 1985

•

van P 23

•

') .)-'

V'''/

\1 ,Ii '-It! / -f'" ~t. 0, , I.r" ',.I .-,.. V( uV .Y" '\ - - rT24 ~

~

~

• SPUI T24 ONTWATERINGSKOLOM H2~ VERDAMPER T 26 ACETONTRILKOLOM H27 VERDAMPER P28 REFLUXPOMP H29 CONDENSOR VX) GASAFSCHEIDER .. SUt:aIo1 111 Ol , a~'C ,-1....tm.

•

I L_ T26

•

•

•

•

ACETONITRIL verweri<ing naar ,,) "

"

"I - 1

~~~.

~ ,~...;

?

I

~W~

1 1J1

~R~

P28 P31 POMP R32 TANKREACTOR R33 TANKREACTOR P34 POMP P31 H3~ WARMTEWISSELAAR H36 KOELER T 37 EXTRACTIEKOLOM

-@

H3S KOELER T 39 PRODUCT KOLOM H40 VERDAMPER H41 COt-DENSOR V42 VLOEISTOFVAT I I P43 REFLUX/RECYCLEPOMP

•

~

•

•

•

•

I~/~'

I - .J H35 ' I TI37 P43 H38 METHACRYLZUUR Schema 2 PROCESSCHEMA van METHACRYLZWRFABRIEK

Rde Ruiter FVO nr 26~1

W Leenhouts November 198~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

( Î Om te voorkomen dat de vloeistof in de geroerde tankreaktoren

\

( gaat koken (dit geldt met name voor de tweede omzetting) worden

~ de reactoren bedreven bij een druk van 3 atmosfeer.

De beide reaktoren moeten geconstrueerd worden van een materiaal dat resistent is tegen het zwavelzuur dat bij de reakties gebruikt wordt. Hiervoor k~ bijvoorbeeld monel gebruikt worden.

Het methacrylzuur wordt verkregen door extractieve destillatie met een methylethylketon/m-xyleen mengsel van de uit de laatste tankreaktor verkregen stroom.

De bodemstroom van de extractie kolom bevat voornamelijk water, ammoniumsulfaat en zwavelzuur. Deze stroom zal opgewerkt moeten worden om het zwavelzuur opnieuw te kunnen gebruiken en het ammoniumsulfaat commercieel beschikbaar te krijgen .

Ook de extractiekolom moet van een materiaal geconstrueerd zijn dat voldoende bestand is tegen het verdunde zwavelzuur.

Het uiteindelijk verkregen metacrylzuur heeft een zuiverheid van

99.5%.

•

•

•

•

I

.

I

I

I

•

•

•

•

•

•

4. MOTIVERING EN BEREKENING VAN DE APPARATUUR.

4.1 PIJPENREAKTOR.

Mekhtiev et al. [15] hebben kinetiekmetingen uitgevoerd aan de ammoxidatie van isobuteen (i-B). Bij deze metingen werd een isobuteen,lucht,water ammoniak mengsel met molverhoudingen:

i-B :

NH3 :

H20 : 02 : N₂

=

1 : 1.7 : 2 2.5: 9.4

over een Bi-Mo-W katalysator gevoerd.

Bij de reaktie ontstaat methacrylonitril, acetonitril, HCN, CO 2 ,een kleine hoeveelheid methacroleine (±O.5%) en wat aldehyden (±O. 5%).

De 4 hoofdrekties, die plaatsvinden zijn:

i-B +

NH3

+ 1.5 02

k

i-B + 2

NH3

+ 2

~O

L

_

~

2 CII:3CN + 4 H20

i-B + 3

NH3

+ 5 02 CII:3CN +2 HCN + 10 H20

i-B + 6 02

Deze reakties hebben allemaal een eerste orde kinetiek: ~

reaktie k E_A H

co r

lis kj/mol kj/mol

1 2.8*103 50.2 -137.0 2 2.5*101 33.5 -235.0 3 2.0*100 20.9 -493.3 4 6.0*101 41.9 -572.7 33 ?

.

•

•

•

•

•

•

•

I I

•

..

•

•

•

De experimenten van Mekhtiev et al. z~Jn uitgevoerd in een temperatuur gebied van 420 - 470°C. Binnen dit gebied werd geen verschil in selectiviteit van de reaktie geconstateerd. De conversie was echter het hoogst bij 470 °c.

Op grond van deze informatie is besloten om een reaktor te ontwerpen, die de reaktie zo dicht mogelijk bij de 470°C laat verlopen. Bij lagere temperaturen is de conversie slechter, bij hogere temperaturen bestaat het gevaar van aantasting van de katalysator (door bijvoorbeeld sintering).

Omdat de ammoxidatie van isobuteen exotherm verloopt, is ervoor gekozen om een pijpen reaktor te ontwerpen. Met een p.ijpenreaktor kan een groot warmteuitwisselend oppervlak gecreeerd worden. Het medium waarmee de reaktor gekoeld wordt moet bij een temperatuur kunnen opereren, die dicht ~n de buurt van de temperatuur in de reaktorbuizen ligt, omdat er anders een te groot radiaal temperatuur verschil in de reaktor zou ontstaan. In zo een situatie zou in een reaktorbuis, de temperatuur bij de wand een stuk lager liggen dan in het midden van de buis

(±4700C), waardoor de conversie verminderd wordt.

Uit literatuur [16] blijkt dat het het meest geschikte materiaal dat als koelmiddel kan fungeren bij een temperatuur van meer dan

400°C gesmolten zout is (HITEC SALT

=

40% _{NaN0 z ,} 7% NaN03 , 53%

KN03 ) .

Om de temperatuur in de reaktor zo controleerbaar mogelijk te houden wordt de katalysator aan het begin van de reaktor verdund met inert materiaal.

De berekeningsmethode van de reaktor is nader beschreven in bijlage 1.

Omdat bij de reaktie stoffen ontstaan, die niet door de kinetiek beschreven worden (methacroleine, loni '1), is bij de berekening van de samenstelli~ het uit de reaktor stromende

gas aangenomen dat uit isobuteen ontstaat:

Methacrylonitril acrylonitril koolstofdioxide methacroleine waterstofcyanide acetonitril gewichts % 79.8 0.8 7.2 0.8 2.7 8.8

Dit z~Jn de waarden die Mektievet al in hun experimenten vinden bij 470°C.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.2. QUENCHTOREN

De _{funktie van de quenchtoren is in de eerste plaats het koelen}

van de produktstroom uit de pijpenreaktor .

Door niet met water, maar met verdund zwavelzuur te quenchen

wordt gelijktijdig de ongereageerde ammoniak afgevangen onder

vorming van ammoniumsulfaat. _{Verder is het zo, dat methacroleine}

met HCN methacroleinecyanohydrin vormt, dat door zwavelzuur wordt

gestabiliseerd, _{zodat dit niet vluchtige produkt in de}

bodemstroom van de quenchtoren achter blijft [17] .

Eventueel gevormde hoogrnolekulaire _{stoffen, zoals b.v.}

polymethacrylonitril worden ook via de bodem van de hoofdstroom afgescheiden.

Het quenchen wordt gerealiseerd door de produktstroom en de

quenchvloeistof in tegenstroom met elkaar in kontakt te brengen.

Voor dit proces worden klepschotels gebruikt .

De kolom is doorgerekend en gedimensioneerd met behulp van het PROCESS Simulation Programm .

•

,

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.3. ABSORBER EN REGENERATOR

De scheiding van het methacrylonitril van het gekoelde ammoxidatie reaktiemengsel vindt plaats door absorptie met behulp van een hiervoor geschikte absorbent. Zowel goedkoop als effektief is water. De beste resultaten blijken behaald te kunnen worden bij atmosferische druk en een watertemperatuur van 2-4°C. Bijprodukten van de ammoxidatie, zoals acetonitril en waterstofcyanide worden echter ook geabsorbeerd en zullen dus' in een latere fase nog verwijderd moeten worden.

Het absorptiewater wordt vervolgens in de regenerator gezuiverd van de geabsorbeerde produkten, zodat het teruggevoerd kan worden naar de absorber.

Een klein gedeelte van de bodemstroom van de regenerator wordt gespuid om ophoping van verontreinigingen te voorkomen.

De doorrekening en dimensionering van de kolommen is gedaan met behulp van het PROCESS Simulation Programm, terwijl de regeneratiekolom ook uitgebreider is gedimensioneerd met behulp van de methode van Zuiderweg [18] .

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.4. DE HCN-, ONTWATERINGS- EN ACETONITRILKOLOM

Alhoewel het voor de twee laatste reaktiestappen niet absoluut noodzakelijk is, dat HCN en acetonitril vooraf worden verwijderd wordt dit toch gedaan, omdat de scheiding achteraf in de praktijk veel meer moeilijkheden blijkt op te leveren

[19].

Het water moet in ieder geval voor een groot deel worden verwijderd om de juiste kondities voor de amidevorming te kunnen realiseren. In principe Z1Jn er nu drie mogelijkheden om waterstofcyanide, acetonitril en water af te scheiden:

A) Acetonitril en vervolgens de ontwateren.

HCN in een enkele kolom afscheiden en overgebleven produktstroom gedeeltelijk

B) Eerst HCN, dan acetonitril en als laatste water afscheiden.

C) Eerst HCN, dan water en als laatste acetonitril afscheiden.

Naast het voornaamste uitgangspunt, namelijk zo zuiver mogelijk methacrylonitril te verkrijgen, wordt er naar gestreefd om de bijprodukten zo zuiver mogelijk af te scheiden. Op deze gronden valt mogelijkheid A af.

Mogelijkheid B heeft het voordeel boven C, dat de afgescheiden acetonitrilstroom slechts een maal over de top gebracht moet worden. Hier tegenover staat het feit, dat bij B in vergelijking met C de acetonitril uit een veel grotere hoeveelheid water moet worden afgescheiden, hetgeen dus moeilijker zal gaan.

Dit betekent, dat er of een hogere acetonitrilkolom noodzakelijk is of dat men meer water in de acetonitrilstroom moet accepteren, terwijl het verdampen van water veel energie kost.

Op grond van deze kwalitatieve benadering is gekozen voor oplossing C.

Uiteraard verdient het altijd aanbeveling om alle drie de mogelijkheden door te rekenen, m.n. omdat zowel de acetonitril-als de HCN stroom veel verontreinigingen bevatten.

De acetonitrilkolom is uitgevoerd met klepschotels en de ontwaterings- en HCN-kolom zijn gepakt met respektievelijk Raschig- en Pall-ringen.

De drie kolommen zijn doorgerekend en gedimensioneerd met behulp van het PROCESS S imulat ion Programm, terwijl zowel de ontwaterings- als de HCN-kolom uitgebreider zijn gedimensioneerd m.b.v. de methode van Zuiderweg [9].

De waterstroom, die van de bodem van de ontwateringskolom wordt afgescheiden is dermate zuiver, dat die weer benut zou kunnen worden in bijvoorbeeld stroom 12, die de quenchtoren in gaat.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

4.5. TANKREAKTOREN 4.5.1. REAKTOR R32

De omzetting van methacrylonitril naar methacrylamide verloopt via onderstaande reaktievergelijking:

~

- - - t )

C

3HS C-NH2

nitril amide

S.I. Mekhtiev et al [20] bestudeerden de kinetiek van deze methacrylonitrilhydratie in 79.8 90.8 %ige waterige zwavelzuuroplossingen.

De reaktie blijkt een tweede orde reaktiekinetiek te volgen, waarbij de reaktiesnelheidskonstante toeneemt met toenemende zwavelzuurkoncentraties.

In reaktor R32 is gewerkt met een 87 %ige zwavelzuuroplossing bij 95

oe.

Voor het doorrekenen van de reaktie gaat men uit van de molenbalans van methacrylonitril over de ideale tankreaktor:

UIT

=

IN - OMZETTING

, c

=,

cO

-

( - r )

V

v man v man A

Voor de reaktiesnelheid geldt onderstaande relatie:

(-r )

A =~ C man

Voor de waterkoncentratie geldt:

= ( CO C )

man - man

en voor de methacrylonitrilkoncentratie schrijft men:

C =

cO

( l-~ ) man man (4-2) (4-3) (4-4) (4-5) (4-6)

Wanneer vergelijking (4-3) links en rechts wordt gedeeld door , _v en men substitueert (4-4), (4-5) en (4-6) in (4-3) dan verkrijgt men:

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

cO

_{( l-l; )}

=

cO

k

cO

_{( l-l; ) (} C~O

°

_- ~

cO

) 1: (4-7)

man man 2 man man

ofwel:

-l;

cO

- k

cO

=

_-kz

cO

_(l-l;)

°

_{- l;}

cO )

1: _(4-8)

(CH 0

man 2 man man man

2

Door omschrijven van bovenstaande vergelijking wordt een relatie gevonden om bij verschillende l; een waarde voor 1: te berekenen:

~---k ₂ ( _1-l; ) _(c~o

°

_-

_l; CO) _man

(4-9)

---

--°

3

c~o

= 7.71 kmo1/m

cO

_{= 5.99 kmol/m} 3 man l; = 0.99 k 2 = 0.115 m 3 /kmol/min [20]

levert 1:

=

483.7 min

=

8.1 uur.

Om de reaktoren beter kontroleerbaar te kunnen bedrijven is gekozen voor twee parallelle tankreaktoren.

Het totaalvolume van beide reaktoren is nu te berekenen m.b.v.:

v

= 1: ~ V Substitutie van 1:

=

29022 s en (4-10)

~

=

7.0362 10-4 m3/s levert, v 3

dat V

=

20.4 m , hetgeen dus neerkomt op twee reaktoren van

3

10.2 m •

Uitgaande van een standaard vloeistofhoogte gelijk is aan onderstaande formule de vatdiameter:

geroerd vat, waarbij de vatdiameter volgt V

=

E

₄ D3 of D

=

4V)(1/3) n (4-11) 45 de uit

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

,

.

Uit deze vergelijking en uit de relaties H

=

1.5 D en T

=

D/3 volgen de dimensies van de beide tankreaktoren:

D

=

2.35 m

H

=

3.52 m

T

=

0.78 m

waarin T de diameter van de turbineroerder voorstelt.

Tenslotte dient nog opgemerkt te worden, dat deze reaktor bedreven wordt bij een druk van 3 atm., zodat alle reaktanten en produkten in de vloeistoffase blijven.

Het reaktiemengsel is door de aanwezigheid van zwavelzuur zeer corrosief. De reaktoren zullen daarom van een materiaal gemaakt moeten worden dat hiertegen bestand is. Monel lijkt een geschikt materiaal om de reaktoren van te fabriceren, maar is wel vrij duur.

•

•

•

»

•

•

•

•

•

•

•

4.5.2. REAKTOR R33

In deze tankreaktor wordt het in reaktor R32

methacrylamide gehydrolyseerd tot methacrylzuur. De

verloopt volgens onderstaande reaktievergelijking:

amide zuur

gevormde reaktie

Zil'berman et al [21] onderzochten de kinetiek van deze reaktie. Zij vonden een eerste orde reaktiekinetiek in methacrylamide. De reaktiesnelheidskonstante is afhankelijk van de samenstelling van

het reaktiemengsel. Voor een reaktiemengsel, wwarin amide,

zwavelzuur en water zich molair verhouden als 1:1.6:10 wordt een reaktiesnelheidskonstante gevonden van:

-1

k

=

0.3228 min

Op soortgelijke W1Jze als voor reaktor R32 1S afgeleid komt men

nu tot onderstaande relatie voor L:

Voor ofwel 1:

=

l; = 0.98 2.53 uur. (4-12)

vindt men een verblijf tijd L van 151.8 minuten,

Met ~

v

=

1.3753

10-3 _m3_{/s vindt men, dat V}

₌

12.53 m. 3

Met de bekende dimensioneringsregels voor een standaard geroerd

vat vindt men:

D

₌

2.52 m

H

=

3.78 m

T

₌

0.84 m

De druk in deze tankreaktor is eveneens 3 atm.

Ook deze tank moet gemaakt worden van een materiaal dat resistent is tegen verdunde zwavelzuur oplossingen (monel).

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.6. L-L EXTRAKTIEKOLOM en PRODUKTKOLOM

De azeotroop van methacry1zuur met water bevat 21.5% methacrylzuur en ligt bij 99.3°C en 1010 mbar. Dit is de reden, waarom men de produktstroom uit de tweede reaktor niet scheidt door normale destillatie, maar door middel van vloeistof-vloeistof extraktie.

Een andere reden om geen normale destillatie toe te passen ligt op het ekonomische vlak. Doordat de koncentratie aan methacry 1 zuur relatief vr~J laag is moet een zeer grote

hoeveelheid water worden afgedesti11eerd, hetgeen duur is.

Voor de extraktie van methacry1zuur uit water zijn veel verschillende solvents bekend, maar geen van hen werkt bevredigend [22].

Van koolwaterstoffen (b.v. petroleumether, benzeen, tolueen), geha10geneerde koolwaterstoffen (b.v. chloroform, tetrachloorethaan, dichlkoorethaan, trichloorethyleen, tetrachloorethyleen) en ethers (b.v. diethy1ether, diisopropy1ether) zijn relatief zulke grote hoeveelkheden noodzakelijk door een ongunstige verde1ingskoefficient, dat de extraktie- en de terugwinningsapparatuur enorme proporties zou gaan aannemen.

Verder hebben sommige ketonen, b.v. methylethylketon een uitstekende verde1ingskoefficient, maar helaas lossen zij goed op in water, waardoor het solventverlies erg hoog wordt.

Verdere studies hebben opgeleverd, dat een mengsel van methy1ethy1keton en m-xy1een uitstekende resultaten oplevert. De aanwezigheid van m-xy1een gaat het oplossen van MEK in water tegen, terwijl het mengsel een zeer geschikte verde1ingskoefficient teweegbrengt.

Voor de extraktie van methacry1zuur uit water wordt een mengsel gebruikt, dat 27 gew% m-xyleen bevat.

De afhankelijkheid van de verde1ingskoefficient K van de samenstelling van het solventmengsel is weergegeven in figuur 2. K wordt gedefinieerd als:

K

=

De extraktiekolom is doorgerekend en gedimensioneerd volgens de methode van Zuiderweg [18] als Rotating-Disc-Contactor ( zie figuur 3).

Na deze extraktie wordt het methacry I zuur via een normale destillatie afgescheiden van het extraktiesolvent. De bodemstroom van deze destillatietoren bevat meer dan 99% zuiver Methacrylzuur, terwijl ook het topprodukt zo zuiver is, dat het zonder meer teruggevoerd kan worden naar de extraktiekolom.

Op deze manier kan vrijwel al het solvent (99.4 %) teruggevoerd worden in de extraktiekolom. De verloren gegane 0.6% wordt aangevuld via stroom 41a.

•

•

•

I

I

I

I

.

j

\

.

J

•

•

•

•

•

•

4.7 COMPRESSOR EN POMPEN Berekening compressor

Het theoretisch vermogen van de compressor wordt berekend met de formule:

p k-l

W = k ,

* [(

pers) ~ - 1]

k-l Pzuig v Pzuig (4-13)

Hierbij is k de verhouding tussen de soortelijke warmte bij constante druk en de soortelijke warmte bij constant volume

C

k

=

--E C

v

(4-14)

Omdat de stroom die door de compressor gaat voornamelijk uit lucht bestaat is voor k de waarde van lucht genomen: k= 1.4. Voor het rendement van de compressor wordt genomen: ~t= 0.8. De compressor heeft een

omdat de temperatuur van

trap en er vindt geen koeling plaats, het gasmengsel toch verhoogd moet worden.

De temperatuur verhoging wordt berekend met de formule:

T

_Ul ' t p ~ = T.

* (

pers) ln Pzuig Berekening pompen (4-15)

Het theoretisch vermogen van de pompen is berekend met de relatie:

(4-16)

Het rendement van de pompen is op ~t= 0.66 gesteld .

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.8 WARMTEWISSELAARS

Het proces bevat een groot aantal warmtewisselaars, die in twee categorieen onderverdeeld kunnen worden:

1. De aan de destillatietorens gekoppelde condensors en reboilers.

2. De warmtewisselaars die in de proces stromen staan.

De vermogens van de reboilers en condensors volgen uit de berekeningen, die uitgevoerd Z1Jn met het PROCESS Rigourous Destillation Simulation Programm. De reboilers werken met verzadigde stoom van 10 atmosfeer.

De warmtewisselaars H8, H21, H29, H16 en H41 (in deze volgorde) maken gebruik van dez'elfde koelwaterstroom. . Dit heeft als voordeel dat de hoeveelheid koelwater beperkt wordt en dat het gebruikte koelwater een vrij hoge eind temperatuur krijgt, zodat het eventueel op een andere plaats gebruikt kan worden voor verwarming (bijv. van een kantoor gebouw).

- Een nadeel van het op deze W1Jze aan elkaar koppelen van warmtewisselaars is dat de warmtewisselaars een groter warmte uitwisselend oppervlak nodig hebben en dus groter en duurder worden.

Stroom (20), die voornamelijk uit water bestaat moet van 99.9°C naar 2°C afgekoeld worden. Dit gaat in twee stappen. Eerst wordt de stroom met koelwater afgekoeld tot-35°C, vervolgens wordt met freon verder gekoeld tot 2°C. De koude opwekking vindt plaats door middel van kompressie. De reden waarom deze temperatuur verlaging in twee stappen plaats vindt is dat de eenheid waar de koude opgewekt wordt niet zo groot hoeft te zijn (kleinere compressor nodig).

Met de uit de laatste tankreaktor komende stroom wordt de produktstroom naar de produktkolom opgewarmd.

Warmte wisselaars H35 en H36 moeten van een materiaal gemaakt zijn dat bestand is tegen verdund zwavelzuur. ,Bij warmte-wisselaar H36 wordt niet, zo als bij alle andere warmtewisselaars, het koelmedium door de pijpen gestuurd, maar de corosieve zwavelzuur bevattende stroom.

Het zout uit reaktor R5 wordt gedeeltelijk gebruikt om de voedingsstromen te voor te verwarmen. Het zout dat hiervoor niet gebruikt wordt kan met water teruggekoeld worden, zodat er stoom opgewekt kan worden.

Alle warmtewisselaars zijn ontworpen met de methoden die in literatuur [23] vermeld staan.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.9. GAS-VLOEISTOFSCHEIDERS

De in het ontwerp voorkomende LIG-scheiders zijn uitgevoerd als horizontale knock-out drums met demister mat [24], zie figuur 4. Een voordeel van de horizontale scheider is, dat de stromingsrichtingen van gas en vloeistof loodrecht op elkaar staan, zodat bij gelijke snelheden de scheiding in een horizontaal vat effektiever zal zijn dan in een vertikaal vat. Voor het ontwerp van deze vaten is gebruik gemaakt van onderstaande empirische regel:

waarin QG

=

D

₌

v G

=

~p

=

~

=

de gasstroom in diameter in m gassnelheid in 3 m

Is

mis

( ~ __ )0.56 6.1 (4-17)

dichtheidsverschil tussen gas en vloeistoffase in kglm 3

gasdichtheid in kglm 3 L

=

lengte in m

Verder geldt uit ekonomische overwegingen, dat de verhouding LID bij een druk tussen 0 en 20 bar gelijk is aan 3, terwijl de maximale vloeistofhoogte in het algemeen gelijk is aan D/2.

Met bovenstaande betrekkingen zijn dus de afmetingen en de maximale vloeistofhoogte van de knock-out drums te bepalen.

•

•

•

•

•

•

'

.

•

•

•

I

•

5. MASSA- EN WARMTEBALANS

De massa- en warmte balansen zijn berekend aan de hand van de gegevens uit de reaktorberekeningen, de PROCESS berekeningen en de berekening van de extractiekolom.

Het referentiepunt van PROCESS is 25°C en 1 atm.

•

•

A

pparaa

t

sTr oom

, Componenten

water ammoniak i sobuteen stikstof zuurstof

Totaal:

-App_araatstroom

, Componenten

water ammoniak i sohuteen stikst of zuurst of

Totaal:

M

in

kg/s

U

in

kW

•

•

1

M

Q 0,279 0,279 0 6

M

a.

o

279 0.279 648

•

•

•

•

•

•

•

•

2 3 4 5

M

0.

M

Cl

M

a.

M

Q 0,224 0,224 0,435 0,435 2,043 2,043

o

621 0,621 0,224 0 0,435 0 2,664 0 3,323 0 7 8 9 10

M

a.

M

a.

M

a.

M

a.

o

279 0,279 0,224 0,224

o

224 0.224

o

43S

o

43S

o

43S 0.435 2,043 2,043 2,043 2,043 0,621 0,621 0,621 0,621 3.323 373 3.323 265 3 602 1021 3,602 2855

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

A

pparaa

tsTr oom

1 1 12 13 1 4 15

, Compo

"

nenten

_M

a

_M

n

_M

Q.

_M

Q.

_M

Q water 0,568 2,335 2,040 0,848 2,386 ammoniak 0, 105

---

_~ isohllr.een O~'"

D,

0

3

<t (~0,034) stikstof 2,043 '~3 zuurstof 0,481 0,481 kooldioxide 0,027 0,027 methacroleine 0,003 waterstofcvanide 0.010 0,009 acetonitril 0.033 0,033 I I .::1rrvl nni t.ri 1 o 001 0,003 methacrylonitril 0,301 0,003 0,299 0,004 me~nafir8:helne-cyano y rln 0,004 0,005 zwavelzuur 0,302 I

.

ammoniumsulfaat 0,408 0,477 -, ;

-~

,

.

3,6D8 3274 2,637 -77 2,455 1 9 3,777 2756 2,872 • -398

•

•

ApparaatsTroom

, Compo

'

nenten

W::l r.pr isobuteen stikstof zuurstof

kooldioxide

wRr.Rrst.ofcvani de acetonitril acrylonitril methacrylonitril m~thafir81elne cyano y r ln ammoniumsulfaat

Totaal:

Apparaatstoom

, Componenten

water stikstof zuurstof kooldioxide waterstofcyanide ace toni t r i l

methacrylonitril

Totaal:

M

in

kg/s

Q

in

kW

•

•

16

M

Q

/ 386 0,004 0,005

°

477 2,872 22 20a

M

Q 7 400 I 0,001 0,003 7,404 2055

•

•

•

•

•

•

•

•

17 18 19 20

M

(l

_M

_Q.

_M

_Q.

_M

Q

°

010 8,238 7,400 7,400 0,034 2,027 0,016 0,479 0,002 0,027 0,001 0,009 0,033 0,001 0,001 0,002 0,002 0,302 0,003 0,003 2,581 -379 8,601 1678 7,404 -1457 7,404 -239 21 22 23 24

M

Q

_M

Q

_M

_U

_M

_U

°

1 S

°

0.68g 0,688

° , ° °

1 0.015 0,

°

1 5 0,002 I 0,002 i 0,001 0,001 0,009 0,008 0,033 0,014 0,019 0,299 0,296 0,003 , 0, 150 42 1 ,048 2608 0,998 751 0,049 33

•

•

A pparaatsT'room

, Compo·nenten

water - '. _-acetonitril methacrylonitril zwavelzuur

Totaal:

Apparaatstoom

, Componenten

water methacrylonitril zwavelzuur methacrylamide ammoniumsulfaat methacrylzuur

Totaal:

M

in

kg/s

Q

in

kW

•

•

25

M

a

0, 101 0,

°

13 0,288 0,402 978 30

M

Cl

0,098 0,283 0,381 535

•

•

•

•

•

•

•

•

26 27 28 29

M

0.

M

(l

_M

a.

_M

Q 0,588 0,098 0,003 0,001 0,

°

12 0,007 0,283 0,006 q,656 0,596 181 0,381 535

°

₆₅₆

°

0,021 33 _I 31 32 33 34 1

M

Cl

M

a.

M

Q.

M

Q 0,022 0,736 0,684 0,684

o

F,c:;F,

°

₄₅₃ 0,453 0,358 0,007 0,007 0.273 0,273 0,355 0,355 1 ,036 _{187 0,736}

°

1 ,772 859 1 ,772 457

•

•

A

pparaa tsT'room

, Compo

'

nenten

water zwavel zuur methacrylamide ammoniumsulfaat methacrylzuur methvlethvlketon m-xyleen

Totaal:

APparaatstroom

, Componenten

water methacrylzuur methylethylketon m-xyleen

Totaal:

M

in

kg/s

Q

in

kW

•

•

35

M

a

0,684 0.453 0,007 0,273 0,355 1 i 772 859 39

M

U

0,016 1 ,5

° °

0,552 2,068 98

•

•

•

•

•

•

•

•

36 37 38 38a

M

0.

M

Cl

M

0.

M

Q 0,684 _{0,684 0,016 0,016} ~ I 0,453 0,453 0,007

_°

007 0,273 0,273 0,355 0,002 0,353 0,353 0,

°

1 1 1 ,489 1,489 I 0,552 0,552 1 ,772 -1061 1 ,430 261 2,410 -1224 2,410 -1224 I I 40 4 1 41a 42

M

U

M

Q

_M

_'

_U

_M

i

a.

0,016 0,016 0,353 _0.353 1,489 1,489

° ,

°

_{1 1} 0,552

.

0,55 1 0,001 0,001 , , I 2,410 -822 2,056 1297 0,

°

12 1 0,354 -1217

•

-IN

_waarts

Voor-

Massa -en

Retour

UIT

-Warmtebal ans

M

.-

M

M

Q

M

Q

I

I

I

.

Q

_,

a

•

DUTY = 648 _zout

_--...:.

_zoJ.Lt

....

Hl ~ JIII"""

-•

0,279 0 1

....

_r 0,279 6

...

~

•

648 H2

...

~

DUTY = 108 _zout

--...

_zout

....

...

....

•

: I -i I -3,323 ₇

_...

_I 1

--

, 373

•

C3 WORK = 265 3,323 0

_-

5

...

_...

....

8 3.323 JIII""" ₂₆₅

•

3,602 ₉

_--....

H4 102J

-•

DUTY = 1834 _zout

_...

_zout

....

JII"""" _!"""""

•

L3 f, n? 2855 10'

,

I DUTY = 5566 zout

_--...

zout

....

R5

....

-5985 _{reaktie ...}

•

warmte ...-, 3,608 _{1 1 ~}

,

j<::'(4

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2,637 '--77 DUTY REBOILER 4300 2 872 22 8,601

-12 1 4 water 18 freon water

...

...

..

~

...

--,....-...

~

...

~

...

....

-...

-...

,

,

" -T6

...

_....

15 2 872

.

-398

,

,

....

_{1 3} 2,455 19

~-

-H8 _ ... water DUTY = 420

-T ..

-

.

r

-...

17 T9

...

2,581 -379

...

--T

Hl0 1 9

....

7,404

...

_-1457 DUTY = 12~8

...

....

frpnn ---~ ~

~20

₇ 404 -~ -239 Hl0 a

_...

water DUTY = 2294 ~ 20a 7,404 . ₂₀₅₅ ! " " -T13 ~ ~ DUTY ~ 1272 ~

,

....,21 0, 150 42

...

•

,

~

1 _04B. ₂₂ 2608

...

24

.

T18 _~ 0,049 33 DUTY 751 DUTY ₂₁₅₄ REBOILER _~

•

, ! 0 qq8 23'

r

751

•

DUTY T24

....

₂₆ REBOILER 403

....

0,596 181

•

"--,-

,

r

0,402 25

.

o

e

978 T26

...

~ 29 0,021 33 DUTY 655 DUTY ₁₀₆₅ REBOILER _~

•

In lA 1 _30~

~

~35 -~

•

1R32 0,656 28

.

-

₃₅₄

°

...

... reaktie Jllll"""'warmte DUTY= 6 stoom

....

... stoom -'

•

JIIII""'"

...

0,793 31'

,

I Ö( 0,736

°

32

....

JII""" R33 66 ... r->p:=!kt.L~

•

.. JII""" \olarmte DUTY = 738 stoom

-

...

.

...

...

stoom -1 ,529 _35~

r

ö'JlJ

•

H35 lRé'l

...

...

L.O DUTY = 402

...

...

DUTY = 402

•

,

,

•

1 ,529 34 457

-

r-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-DUTY REBOILER 7,631 ~

r

~

....

H36 water

...

... water

...

~ DUTY = , _-~ 1 S?q _36,

r

-1061 ~37

....

₃₇

...

1 ,430 2 410 -822 40 _~

--J~39 2,068 98 ~38 water .... ... water 3402 19420 ~

Massa in kg/s

Warmte in kW

.

:-

...

J~41 2 056 ₁₂₉₇

~-....

...

_{T39 DUTY} 'l\1T'~'Mc::::>;'R ,~~

--,...

~

~

42 0,354 ~

Totaal

..

7,636

Fabrieks voorontwerp

No:

2651 1518 261 1200 2500 -1217 19002

•

,

.

•

•

•

,

.

I

•

•

•

•

•

6. APPARATENLIJSTEN

In dit hoofdstuk worden de beschrijvingen van de in het proces gebruikte apparaten gegeven.

•

Apparatenlijst voor reaktoren, kolommen, vaten

---•

Apparaat No: R5 T6 _{T9 T13 V17}

"

Benaming, pijpen- quenchkolom absorber regenerator gasafscheider

type reaktor

•

~:();f _eff. 3( 1,1/1,3 _{1 ,}

°

_{1 ,}

°

1,0/1,1 _1,

°

druk in bar

•

temp. in oe _{450/465 30/463 1,2/73} 69/99 96 Inhoud in m

3

Diam. in m 4,36 1 ,80 2,20 D top = 1 ,

° °

1 ,22

•

1 of h in m 6,00 2,44 6, 1

°

Dbod = 1 ,50 3,66 h= 3,40

Vulling:

*

_{10577 buis- klepschotel klepschotel klepschotel knock-out}

•

schotels-aant. jes _{Npr = 4 N}

1

°

N 4 drum

= =

db= 3E-2 m pr pr

vaste pakking _{dt= 3E-3 N}

th= 3

horizontaal m

katalysator- = 4 sec max. vloeistof

•

zoutkoeling hoogte type 3 0,61 m

-

,

,

-

vorm 0,2 m /s

·

...

Bi-Mo-W kat

·

...

·

....

..

...

•

Speciaal te ge- _{met demister}

bruiken ma t. mat

•

aantal 1 1 1

serie/parallel 1 1

•

•

3( aangeven wat bedoeld wordt

81

•

Apparatenlijst voor reaktoren, kolommen, vaten

---Apparaat No: _{T18 V22} T24 T26

•

Benaming, _{HCN- kolom gasafscheider ontwaterings acetonitril}

-~

type kolom kolom

•

~X><fc eff. ;( 1,0/1,1 _1,

°

_1,

°

1,0/1,1 druk in bar

•

temp. in oe 57196 57 85/94 67/85 Inhoud in m3 0,80 D = 0,55 D =

Diam. in m top 0,35 0,20 top

D

bod= 0,63 Dbod= 0,55

1 of h in m 1,05 6,30

•

h= 20,80 h= 12,0

Vulling: ;( gepakt knock-out gepakt klepschotel

schotels-aant. Pall-ringen drum Raschig N = 20

15 mrn horizontaal ringen pr

vaste .pakking

15 mrn

katalysator- Nth= 29 max. vloeistof

N 33 hoogte Nth= 7 type pr = 0,18 m N = 8

•

-

,

,

-

vorm pr

•

·

...

·

...

·

...

•

Speciaal te ge- met demister

bruiken ma t. mat aantal 1 1 1 1

•

serie/parallel

•

•

;(

aangeven wat bedoeld wordt

83 V30 gasafscheider 1,

°

67 0,26 0,79 knock-out drum horizontaal max. vloeisto hoogte 0,13 m met demister mat 1

.

I

I

•

Apparaat No: R32 R33 T37 T39 V42

•

.

-Benaming; tankreaktor tankreaktor extraktie produktkolom vloeistofvat

type kolom

•

kS1lxXl){ eff.J( 3,0 3,0 _1,

°

1,0/1,2 _1,

°

druk in bar

-•

temp. in

°c

95 130 35 103/161 103 Inhoud in m3 Diam. in m _{2,35 2,52} 0,60 D top = 1,60 0,89 1 of h in m _{3,52 3,78} 6,40 Dbod= 2,20 2,67 h= 21,75

•

Vulling:

*

geroerd vat geroerd vat RDC kolom klepschotels horizontaal schotels-aant. normale normale N_th= 4 N = 35 vat

vloeistof vloeistof pr

vloei-N 48 max.

vaste pakking _{hoogte hoogte pr} = _stofhoogte

-•

katalysator- _{2,:5 2,52 toerental} - 0,45 m

type = 4 uur =2,5 uur 5,5/s

-

_••

-

vorm diameter diameter

•

roerder roerder

.

"

.

" " " " " " " " " " 0,78 m 0,84m

.

"

.

" " " " " "

.

" " " " " " " "

.

"

.

"

.

"

.

"

•

Speciaal te ge-bruiken :nat. aantal _{_2} 1 1 1 1

•

s:~parallel

-I

I

•

J(

aangeven wat bedoeld wordt

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Technische Hogeschool Delft Afd.Chemische Technologie

Fabrieksvoorontwerp No: 2651

Datum : maart 1987

Ontworpen door: W. Leenhouts

R. de Ruiter TOREN SPECIFIKATIE BLAD

Apparaatnummer : T .1.3. Fabrieksnummer :2651

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie ... : destillatie / ~iH,{~:t!e / JálS2fèCPlYt!e /

...

_*

Type toren ... : ygé1'lH~~ })' schotel / ~~~èCM /

...

*

Type schotel ... : ~~~~.fèC

/

2eèCBPlaa~ / valve

/

...

*

Aantal schotels ... : theoretisch : 3

Aantal schotels ... : praktisch : ~

ti

Schotelafstand / HETS : .0. '. ~) mlO, 88 m Materiaal schotel :

ti @

Diameter toren ... : .1.,.

Q

9

mil, 5

°

m Hoogte toren ... : 3,40 m

Materiaal toren ... :

Verwarming ... : ~~x/ m~x~R\

_/

reboiler

/

... ' ...

*

BEDRIJFSKONDITIES :

Voeding Top Bodem Reflux/ absorp- Extraktie

tie middel middel/ ...

Temperatuur ... _. oe _{69 96 99} Druk ... bar 1 1 1 , 1 Dichtheid ... kg/m 3 _986,9 0,785 997,3 Massastroom ... kg/s 8,601 1 ,048 7,654 Samenstelling ~n _H20 98,6 95,8 86,0 65,7 100 99,9

mol 7. resp. gew.7.

ONTWERP :

Aantal klokjes

_/

zeefgaten

_/

... :686

**

ti 11069 @ Type pakking ... :

Aktief scho teloppervlak ...•.. : ,0,.70 ti 11,09 @ m 2 Materiaal pakking :

Lengte overlooprand. '" ...

:700~545@

mm Afmetingen pakking :

Diameter valpijp

_/

gat

_/

...

:223~650@

mm

Verdere gegevens op schets vermelden

*doorstrepen wat niet'van toepassing ~s.

**. _~n d" _{len een toren schotels van versch~llend} . _{ontwerp bevat, dit aangeven!}

#geldt voor schotel t/m 2

@geldt voor schotel 3 t/m 4

87

•

I

.

•

•

•

•

•

•

•

Technische Hogeschool Delft Afd.Chemische Technologic

Fabricksvoorontwerp No: 2651

Datum: maart 1987

Ontworpen door : W. Leenhouts

R. de Ruiter TORENSPECIFIKATIEBLAD

Apparaatnummer : T~ 8. Fabrieksnummer : 2651

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie ... : destillatie / xOOQOrJ!l 'Ic tx:Dex / a<l1sx>:x p! QCÏ)ëX

:t

_... "" ....

*

Type toren ... : gepakt / xsobE ~EKlx / X~i:~1lC / ...

*

/ / /

*

Type schotel ... : klokje zeefplaat valve .Q,y .•.

t., ...

Aantal schotels ... : theoretisch : 29

Aantal schotels ... : praktisch : 33

Schotelafstand _/ HETS : D. .. 80 m 11 IO,91m @ Materiaal schotel : n. v. t. Diameter _{toren ... :} D.,.5 5 11 mlO, 6 3 m @ Hoogte toren ... : 21 ,3 m

Materiaal toren ... :

Verwarming ... : ~~x/ ~i\xs<t.}{X§mx/ reboiler

/

... " ....

*

BEDRIJFSKONDITIES :

Voeding Top Bodem Reflux/absorp- Extraktie

tie middel middel/ ...

Temperatuur ...

°c

96 57 94

Druk ... bar 1 1 1 . 1

Dichtheid ... kg/m 3 917,8 1 ,556 925,3

Massastroom ... .. kg/s 1,048 0,049 0,998

-Samenstelling ln

mol % resp. gew.% HeN 0,75 0,86 20,0 16,3 0,0 0,0

ONTWERP :

Aantal klokjes / zeefgaten / ... : n. v. t.

**

Type pakking ... :Pall-ringen

Aktief schoteloppervlak ... : m 2 Materiaal pakking :metaal

Lengte overlooprand ...• ~~7.~m 1I/ 736

!

_{Afmetingen pakking : 15 mm}

Diameter valpijp / gat

/

... : mm Verdere gegevens op schets vermelden

*

doorstrepen wat niet van toepassing lS.

**.

_{1n 1en een toren schotels van verschi.llcnd ontwerp bevat,} d" _{di t a:lngeven:}

ft s:Pldt @ geldt voor voor schotel schotel tlm 12 13 e.v. 89