De bereiding van etheen uit ethanol

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

... G .... .Ber.e.ns.c..ho.t ... c.-.J .•... X .•. dA ... S.P.iegG.l .... .

onderwerp:

... D.e ... ber.e.i.din.g .. yJm .. ~.t.h~.e.n ... .

... ... ui.t .. e:thiY~al.coh..oL ... .

adres: Gerbrandylaan 3 Papsouwselaan 159

Voorschoten Delft

opdrachtdatum : nov' 74

0

0

0

" "

0

0

0

0

0

0

0

0

.

0

0

0

0

0

0

0

0

0

G. Berenschot GerbrandYlaan

3

VOORSCHOTEN FABRIEKSVOORONTVIERP

De bereiding van etheen uit eth,anol

november

1975

.-.... C.J. v.q. Spiegel Papsouselaan" 159 DELFT I

I

-I

E

o

o

o

o

o

O'

o

·0.

o

n

o

'0

o

o

o

o

o

o

o

·0

INHOUD. Hoofdstuk 1. Samenvatting 2. Inleiding

3.

Literatuuronderzoek Katalysatoren M:echanisJilé en Kinetiek IndustrLele processen I

4.

Uitgangspunten voor het ontwerp

5~ Pro6esbeschrijving

'6.

Piocescondities 7. De reactor De scheiding . De zuivering

Keuze en berekening van' de 7.1 De reactor, .7.2 Het fornuis 7~3 De warmtewisselaar H3 7.4 De droo3torena T13/1₄ 7.5 De compressoren apparatuur . 7.6 De destillgtietoren T4 8. Massa- en warmtebalans

9.

Investeringskosten , Bijlagen Bladzijde 1 2,

4

5 6

9

12 13 13 14 16 22 26

29

29

31 32 39

A Enige relevante fysische, gegevens van grondstoffen, bij- en

eind-producten.

B De reactorberekening

B1 Berekening van

7

_.', als functie van

"S;

49

B2 Berekeningen en resultaten van het vereenvoudigd model

B2.1 Het Algol programma 52

B2.2 Re als.f(R,~ 0)'

55

v,

B2.3 Tk als f(R,9v,0) 56

. B2~4 Drukval als f(R,~6v

_,

0) 57

.

B2.5 Totale kosten als f(R,f 0) 58

,0

o

o

D·'

o

o

a

D'

o

'·0

o

o

o

D'

o

o

o

Bijlage

B3 Berekening van de axiale temperatuurprofielen B3ó1 CSMP-programma

B3~2 -Profiel met uniforme T_k

, B3. 3 Axiaal profiel met aangelegd Tk-profiel B3.4'Axiaalprofiel over de eerste 30 cm van

de reactor met aangelegd Tk-profiel B4'Gebruikte,fysische constanten

B5 Thermodynamica en Kinetiek

B6 Test op film- en poriediffusielimitjring B1 Katalysatorgegevens

'B8 Controle op de aanwezigheid van radiale tem-peratuurprofielen

C Berekening van warmtewisselaar H3 D Berekening van de droogtorens T13/14 E Berekening van destillatiekolomT4 F De bepaling van de temperatuur in V10 , , , G Schatting van de investeringskosten

Symbolenlijst Literatuurlijst Aanvulling Flowsheet Bladzijde 60 61 63 65 61 68 10 16 11 18 , 81 82 85 86

91

95

·91

,'101 ;1 '

o

10

I'

o

o

,0

1 1. SAMENVATTING.

In dit verslag wordt het voorontwerp beschreven van een fabriek voor

de bereiding van etheen uit

95%

ethyl~lcohol op basis van eén

produc-Ü.e van 30,000 ton/jaar. Hiertoe vindt in een bilisreactor de

dehydra-tatie van alcohol plaats over S-Al₂0

3

bij 400 oe en 1atm. De

reactie-warmte wordt in een fornuis toege~oerd.

Verwijdering van het gevormde water uit het reactiemengsel vindt plaats

in een ~weetraps condensatie gevolgd door droging met molzeef 3A.

Tenslotte wordt het gasmengsel gescheiden door koude destillatie bij 15 atm.

Van groot belang is detemperatuurb.eheersing in de reactor. Door het aanleggen van een temperatuurprofiel in de lengt.erichting van de buis'

O . ,

bleek het mogelijk de temperatuur binnen grenzen van: 7°e te houden.

Î , ~

.~op groxi.~ hiervan' is aangenomen dat de ne~eactie naar aceetaldehyde

.0

J-Y

niet plaatsvindt. .

Verder is aangenomen dat aan de uitgang van de reactor de hoeveelheid

,0

o

o

·0

il

o

o

o

'0

o

'0.

ether in evenwicht is met de aanwezige hoeveelheden water en

..

alcohol~

Bij de gekozen configuratie van de koude destillatie moet voor zuiver- .

heden groter dan

95,5%

een grote hoeveel~eid gas gespuid 'rl.orden.

Hier-bij treden ontoelaatbaar grote verliezen op. De noodzakelijke wijziging zou gevonden kunnen worden ineen demethaniser of een zijstripper.

. ~-..

~----Tenslotte kan worden opgemerkt dat de ingangstemperatuur naar de twee-trapscondensatie in hoge maté bepalend is voor de afmetingen van een

groot aantal proc~sapparaten. Gecombineerde optimalisatie dient. nad.er

o

~ .

o

o

o

o

o

~o

iO

I

.LD

~ . ....

·~o

1 .

';0

t .

10

_, .

i:

n

·

.. I ~ "

.:0 .

"0

.

; .

"0

2 2. INLEIDING'

In het kader van de samenwerking met de Universiteit. van Cali in . Colombia wordt onderzocht of hèt mogelijk is vóor dit .land een

chem-;:'" ische industie op basis van agrarische afvalstoffen op te zetten.

.. . De belangrijksten hiervan zi~n gistingsalcohol dat uit

rietsuiker-. afval bereid kan v10rden en furfural dat orietsuiker-.arietsuiker-. uit lege maiskolven, suikerbietenafval, katoenzaaddoppen en rijstafval geextraheerd kan . worden.

In principe is het mogelijk om uitgaande van deze grondstoffen, eventueel aangevuld met acethyleen, een scala van eindproducten te vervaardigen. Voorbeelden zijn polyetheen, Bunarubber, solvents,

nylon 6,6 en ~olyurethaan. (zie ook fig. 2_1)

'. In dit verslag zal getracht worden een fabrieksvoorontwerp voor·

de productie

Van

etheen uit ethylalcohol te maken. Doordat

olefi-nen in de grote hoeveelheden :iie in geindustrialiseerde landen vraagd worden veel goedkoper door kraken van aardolie fracties gproduceerd kunnen worden,:is de belangstelling voor etheen uit e-thylalcohol sinds 1960 sterk afgenomen. Het proces wordt op het .. ' ogenblik alleen nog in India, Pakistan· en Brazili-é toegepast.

Ken-nelijk is het alle~nin ontwikkelingslanden als India, Paki~tan

en Brazilië 'en hoogst waarschijnlijk ook Colombia, Waar' alcohol goedkoop is, mogelijk om op economisch veranti-lOorde. wijze etheen· uit alcohol te produceren.

De huidige capaciteit op basis van alcohol is slech~s een fractie

. .

van de to~a.le vlereldetheenproductie. In Ind~a wordt naar schatting

tS

'c:=l,'

C:::J

'I

ETHANOL

, ACETVLENE C2H2 FURFURAL Hc-eH

.

.

HC C-CH 'ó Ö t:Ij

...,.

~, j:::, Ii f\)

.'

... , c=I ".,:

é:::r '

r::::J ' ' c=J

", .. • . J. . ~-."!'!'!:---:'-~~-~tt,;~ .. '. .' . • .,. t . : . ~ ..

c:::=r,

"t:::J, '

c=I; 'c=!. '

c=!', .

c:J

r=J,'

t=I ':

",0 '

'c::t,.

t::::t

c::::J

. . . . .. ACEET ALDEHYDE UBUTYNDIOL Hz9-C=C-~H2 OH OH FURAAN HC-CH

.

.'

,He eH '0' , I ,,' . " , ALDOL '0 CH39HCH2C:H OH crWTONALDEHYDE H2Ç- CH 2-qH- CH3 011 OH

_ "(U BUT AANDIOL'

===c: ~ H2C-CH2-CH2"CH2 _{I I} I ~ OH OH H2~"-~H2 112c CH2 '0' , I , , " 1.4 DICHLOORB UT AAN ADlPII-IEZUUR 'o-c C II e~O HO· - 4 6- -OH ", BUT ANOL CH:JCH2CB2CH20H BUT ADIËEN ADIPONITRIL ' SOLVENTS HEXM~ETHYLEE:-; DIA MINE H2 N - (CH2!6 - NH2 :::::>" VJ

,--_---~---~-~--~---~'~- ~, _ _ _ " ' c " _

o

o

0'

o

,0

o

;0 "

io

,0

~O

,

;0

o

0'

'0

4

3.

LITERATUURONDERZOEK~

De katalytische dehydratatie van alcohol is een reeds lang bekende reactie, die vooral gebruikt werd voor onderzoek naar de aard van, katalysatoroppervlakken en mechanistische studies (lit. 8, blz.93).' Dit heeft tot gevolg gehad dat vrij veel typen katalysatoren in de

loop der tijd ontwikkeld en ~etest zijn en vele publicaties ovór

kinetiek en meéhanismeverschenen zijn. Er zal een kort overzicht gegeven \-I'erden van de typen katalysatoren, de kinetiek en het mecha-nisme, en van hetgeen gevonden is over processen op industriele schaal.

Katalysatoren.

, De dehydratatie van ethylalcohol is het eerst beschreven in 1191 door Bondt et.aL (lit. 10) die A1

20

3

en Si02 als katalysator

toe-pasten. ,In 1880 is door Jahn (lit.11) een zinlc/zinkoxide

katalysa-tor bes~hreven. Door Squibb (lit. 12) werd in 1895 BaC0

3 gevonden. Allen vonden toen reeds dat in verschillende temperatuurgebieden

ver-_schil~ende reacties de overhand hebben; bij 350-400 o C werd etheen '

gevormd, hogere 'temperaturen geven aldehyden en bij lagere is ether het hoofdproduct •

Zo zijn in de loop der tijd een bijzonder groot aantal katalysatoren ,--:- beschreven, vooral in de russische literatuur. Voorbeelden zijn Ti0

2,

gesubstitueerd, calciumfosfaat en Ta205~ Verder zijn gevonden Th0

2, . ' ? /&7"''''''''''';: . Katalysator Gasprodl

_%

C_{2 H4,}

_%

~,2

1 Th0 2 31 100 sporen 2 Al 203 21 99 1 3 W 20₅ 57 99 1

4-

Si0 2 0,9 84 '16 5 Fe₂0₃ 32 14 86 6 V₂0

5

'

14 9 91 1 Ti0 2 '1 63 17 8 ZnO 6 6 94 Tabel 3.1

Q'

0

0

0

0

0

:0

0

0

,:D

',0

:0

}O

'0

,0

0

·0

0

0'

0

~

)

.~

5

H3P04 op drager(lit~ 13)~ diatomeënaarde en W 205•

Sabatier en M,ailhe(li t. 14) publiceerden reeds in 1910 een

vergelij-kin~ van de dehydratatie acti vi tei t van een groot aantal katalysatoren.

Dit is verkort weergegeven in tabel 3.1 • Hpevlel niet geheel betrouw-baar meer worden hiermee vleI grote verschillen in activiteit en

werk-ing a~getoond. Direct vallen een aantal, katalysatoren op: W

20₅' Th02,

A1

203 en Fe203• Alle vier'vertonen een hoge activiteit. Fe203 valt ,echter af doordat de selectiviteit t.a.v. de dehydratatie/dehydroge-neringsreacties beduidend lager is dan de rest. Van de reste'rende drie

valle~ Th0

2 en W205 voor industriele toepassingen af vanwege hun hogere

~rijsen komt Al

203 duidelijk als meest geschikte naar voren.

, Mechanisme en Kinetiek.

Uit het onderzoek vmm Tishenko (lit:15) en later Sendersens (lit 16)

, en nog later Ipatieff kvJarnen drie alternatieven naar voren voor het Teactiemechanisme n.l.:

1) Ethanol~' Ether ~ Etheen

2) Ethanol;:::! Ether

~

Etheen

3)Ethanol < ) Etheen

,~ §

. Ether''''

Er is lange tijd getracht een van deze mechanismen als de juiste aan

te wijzen. Dit lukte pas toen Whitmore (lit17) in 1932 aantoonde dat ,de gasfase reactie verliep via een carboniumion hetgeen het volgende

mechanisme suggeree~t :

Cr}I50C2H

5

ft

~

2H50H

~

C 2H;

~

C

2H~-1

S llC',n L!'~C ('")-.6

Dit

mechanism~.ll\het

ontstaan van een C

2H; ion' als ethanol of ether

aan

het katalysator oppervlak gechemisorbeerd worden.Het is in

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

.0

o

o

o

o

6

ming met de voor alcohol en ether gevonden adsorptiestructuren en met de omkeerbaarheid van de deelreacties.

Dit mechanisme. werd bevestigd door de metingen van Brey en Krieger

(li

t.

18)

die tevens een reactiesnèlheid~vergelijking leverden: .

22400 R

waarin: R in mol c2H4/. cc kat sec

P Po, ,P W partiaalspanningen vo..Y1· ,eSp. o.lc.o h ol €V\ -(N ",Ie..,.

~eze yergelijking.is gebaseerd op de volgende aannamen:

. 1), De reactie aan het katalysator, oppervlak is snelheidsbepalend.

2) ethanol· en water zijn sterk geadsorbeerd, etheen en ether niet

3)

·permolecuul reagerend ethanol is slechts één actieve site

betrok~

.jI

ken.

4) de reactie kan als aflopend beschouwd wordengeziert de grootte van .

deevenwichtsconstante (KF=2000).

Deze snelheidsvergelijkingis geldig tussen 350-400 0 C en la~t zien

dat in dit gebied de reactiesnelheid onafhankelijk is van de

totaal-~ .

. h ·

drUk.

Verder kunnen m.b.v. het.werk van Brey scattingen gemaakt wor-·

---. .

den van de ·bij bepaalde procescondities te ~rlfa.chten etherproductie.

Vergelijking

3.1

zal verder dienen als basis voor de reàctor.be:rekeningen.

Industriele processen •.

Uit MilIer (lit.· 6) is bekend~~,\~~ehydratatie _{van alcohol·met A120}

_a

al~ katalysator op industrielèrplaatsvindt ·of vond in India, Pakis-.

tan, Australi~, Engeland, de Verenigde Staten, Oostduitsland en

Bra-. zili~. In de V;S., de DDR, Engeland en Australi~ is de productie

in-middels ·stilgezet omdat etheen op grote schaal· veel goedkoper uit aard-I

oliefractiesbereid kan worden. Geconcludeerd kan worden dat het alleen in ontwikkelingslanden, die over goedkope gistingsalcohol beschikken, mogelijk is dit proces op kleine schaal toe te passen. Zodra echter in een dergelijk land de chemische industrie zich enigzins ontwikkeld hee!'ten grotere hoeveelheden etheen nodig zijn zal naar andere bronnen

gszocht moeten worden. Zo word in Brazili~ een maximale economisch

0

0

0

0

'.

?

"

'0

~~

0

,0

0

0,

'0

, "

;'0

~

:0

.' ~

.iO

,

':0

~D

0

',0

0

0'

0,'

8 '

Er werd echter slechts een beschrijying van een dergelijke fab~iek .

gevonden(lit. 7)., en wel die in Cubatao, Brazilië. Deze door Union

Carbide ontworpen fabriek heeft ee~aciteit van 23000ton/jaar

~w~ :th~~~,_._~.:,~

__

~,e~~:verheid o~a.rJ"<~

Na .verdampen van <?ode voeding

wordt alcohol bij! 400 C en O~atm in een buizenoven omgzet .• Na 00

quenching met water wordt de onomgezette alcohol in een sproeicohden-. ,sor afgescheiden en vervolgens afgedestilleerd en gerecirculeerdsproeicohden-.

Het 0 etheen word ge'droogd en gecollprimeerd tot

8,5

atm waarI:la een

'zuivering to 9~ volgt. Dui~elijk is dat bij deze fabriek weinig

aandacht is besteed aan de warmte huishcuding. Ook de eindzuiverheid

van he~ geproduceerde etheen is onvoldoende voor huidige polyetheen

p~ocessen(lit.

5).

',Over de fabrieken in India is niets gevonden maar aangezien dit ook Union 6arbide processen zijn wordt aangenomen dat ze weinig van de fabriek in Brazilië zullen verschillen.

Tenslotte kan, nog worden opgemerkt dat de productsamenst.elling als volgt is: (lit. 6)

'"

Spaceveloci ty , .û~~~

.

1,57 1,27 1,19

-~

Omzettingsgraad

(%)

73 $0 96 ;

Prod. samenst. (mol

_%)

C 2H

₄

97,0 96,7 '96,0 H 2 0,2 0,3 1,5 C~4 0,4 0,1 0,:1 C 2H6' . 0,6 0,7 0,5 0 .. . C H 0,3 0,2

I,

0,0

3

n C 4Hm 1,3 1,8 1,5

f '

CO + N₂ 0,2 0,2 0,4 Tabel 3.2

o

10

I . .

i .

I,

o

o

o

o

'0

:0

0,

l,O.

,0,

9

4.

UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTV1ERP

Ontworpen dient te worden een installatie met een capaci tei t van 30000 ton etheen per jaar. Deze capaciteit w?rdt voor dit prqces

als grens .van het economisch haalbare gesteld (lit.

7).

Gerekend

wordt met 8000 bedrijfsuren per jaar, waarbij rekening gehouden .dient te worden met katalysatorregeneratie ( ca 1x per zes weken)

en eens per twee jaar totale vervanging. Het overall rendement zal

ong~veer 95

%

bedragen (lit. 6).

~e enige'grondstof is ethylalcohol dat uit landbouwafvalstoffen

~egist en gedestilleerd wordt; aangenomen is daarom een

zuivér-,heid van 95 gew.

%.,

Verder is aangenomen dat voor het bijproduct

ether geen belangstelling is zodat totale ,recirculatie kan worden toegepast.

Er wordt van uit gegaan dat het geproduceerde etheen, al dan niet ter plaatse verder wOrdt verwerkt tot polyetheen. Voor de huidige polyethèenprocessen ( zowel lage druk'polymerisatie als hoge druk

processen bij 20ÓO atm ) worden zuiverheden van minstens' 99,9 gew,_

,_%

vereist (lit.

5).

Dit vereist grondige zuivering hetgeen lage

temperatuurscheidingen bij verhoogde druk impliceert. Hierdoor zal

.naast ,de normale utili ties als stoom en koelwater een koelsysteem nodig zijn.

Als belangrijkste bijproduct zal water gevormd worden.Daar dit vr~J­

wel zuiver is ( het zal hoogstens de bij de reactie,gevormde

spo-ren azijnzuur en aceetaldehyd::.(lit. 9) bevatten) kan het zonder

:

:0'". \

~ :meer gespuid worden. ,Alleen indien thermis:che verontreiniging on-, ,

~v

J/'

toelaatbaar'is zullen maatregelen genomen dienen te worden. '.

i . ~~ . Naast .. later zal als bijproduct een betrekkelijk kleine afgasstroom

10

ontstaan bestaande ui t stikstof, methaan, koolmonoxide, '\..raterstof,

o

0'

f ."

'0

D

~ropanen en butanen (lit.

6,

bl~.

69).

Deze stoffen zijn niet

gif-iig of corrosief en kunnen eenvoudig als spui of stookgas verwerkt

worden. Dit stel~ verder geen bijzondere eisen aan de installatie.,

ZOlvel ethyl alcohol , diethylether als etheen kunnen met lucht

explo-sieve mengsels' vormen (zie bijlage A)

e~

zijn allen uiterst brand-'

~I

. .

if

1.

baar. Hoewel de explosieve concentraties bij binnenlekken van lucht. ~'

.~.--~ ... .,~' .

niet direct zullen ontstaan dient hiermee bij het ontwerp wel

o

o

o

o

o

o

o

10

:0

:,0 '

_, , !

",'0"

:

:0

,0

,0

o

10

ning gehouden te worden .'

Van alle grondstoffen, bij- en eindproducten zijn alle relevante' fysische gegevens voorhanden in diverse tabellen- en handboeken.

( zie bijlage A)

Bijzondere corrosie problemen zullen met de in het systeem

optre-dende stoffen niet voorkomen. W,~~"zul;fen de: extreem lage

tempera.-turen en verhoogde drukken in de scheidingstrein speciale eisen aan materialen en ontwerp stellen.

Tenslotte "lordt opgemerkt dat de kinetiekvergelijking 3.1' van Brey 'et.al. zal dienen als basis voor de berekening van de reactorsec--tie.

o

o

o

D

12

. 5.

PROCE:3BESCmUJVHm

De voeding, 95 gew.% ethylalcohol, wor~t bij 400 oe en 1 atm omgezet.

in een isotherme buisreactor in etheen en water.De voor deze endo-therme reactie benodigde warmte wordt toegevóerd in een fornuis, waar-bij speciale aandacht dient te worden besteed aan het verkrijgen van

een uniforme temperatuurverdeling. Als katalysator fungeert '1-aluminaj _{() .}

~ de conversie bedraagt 90~.

o

~~~.

Voorverwarming en vera;;;ing van de voeding vindt plaats in H3.

over-.

(IJ"\.

verhitting tot de' reactietemperatuur van 400

oe

in ele convectiebank H1.

. ~i '

.. 0 .

~I. De productstroom 'wordt in H3 gekoeld tot 60 0

e

waarbiJ hoofdzakelijk

. .\ water condenseert. Het water, met een kleine hoeveelheid opgeloste

alce-D

o

D·.

n

n

hol wordt afgescheiden in V10 en gespuid. De verliezen aan onomgezette alcohol en opgelost etheen .zijn hierbij gering; wel kunnen sporen

aceet

-ardeh~deen

_-

azijnzuur,producten van

tvenreactie~,

hier. het systeem

ver-'

laten.

Vervolgens wordt het reactiemengsel gekoeld to:\;

5

oe waarbij een

alco-hOl/water mengsel condenseert. Dit wordt in V12 afgescheiden en naar de destillatietoren T4 gevoerd om tot recyclestroom opgewerkt te worden.

Na dr6gen over moleculaire zeven in torens T13/14 wor~t het gasmengsel

dat nu nog bestaat uit etheen, alcohol ,ether. en sporen stikstof, koo~­

~

D

·

~.J1.J'ft1. ~onox.~de,.

W

J.n drJ.e stappen met··tussenkoèll.ng om te verhJ.nderen 'dat etheen J.n de com-waterstof. en me~haan~ geComprimeer~ tot 15 atm. Dit v~ndt plaats'

D

o

o

o

o

o

.

'pressoren polymeriseert. Eventueel condensaat gevormd tussen de

compres-siestappen kan ~n de zuigvaten V11 en V20 worden afgescheiden en naar.

T4 teruggevo~rd worden,

Na de compressie wordt het mengsel gecondensee~ in H22 en in

destillatie-toren T23 gescheiden. Hier worden alcohol en ether als bodemproduct

afge-tapt en gerecycled. Over .de ,top gaat etheen waarvan in de refuxdrum V25

de nog gasvormige ve.rontreinigingen worden afgescheiden. Het product bestaat. uit zeer zuivere yloeibare etheen van 15 atm en .;.. 38 oe.

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

'\~

/1-

.

~

f'

13 6. PROCESCONDITIES

In dit hoofdstuk zal nader worden ingegaan op de keuze van de proces-condities.

De reactor.

'Uit vele publicaties (0. a. li t. 6) is gebleken dat voor de katalytis.che

dehydratatie van ethanol over

'6

-al1.imina een optimale temperatuur wordt

gevonden ,van, 400

°c.

Bij lagere temperaturen ( 350 °C) wordt 'hoofdzakelijk

ether gevormd (lit. 18) terwijl bij hogere tempe~aturen de dehydrogenering' g'

naar aceetaldehyd:'de overhand krijgt. Gekozen is derhalve 400°C.

Variatie van de druk bleek een zeer geringe invloed op net benodigd reac--torvolume ,te hebben (zie hoofdstuk 7.1). Verlaging van de druk tot 0,35

atm zoals wordt toegepast in het U.C. proces heeft aleen tot gevolg dat

'~

een grotere volumestroom door een even, 'grote reactor stroomt.' Dit ver-hoogt slechts de drukval over het katalysatorbed.(fig '7.2) Op:grond hier-van is een procesdruk hier-van 1atm gekozen.

Berekend is ook de conversie als functie van de spacetime. Hieruit is

gebleken,(fig. 7.1) dat bij conversies,boven èa. 90

%

de benodigd.e

space-'~ ~~~ time en dus het reactorvolume snel toeneemt. Gekozen is derhalve een

con-D

'\

(~ ~ 'a;

t

-,

.~ ~~

versie van 90

%;

de onomgezette alcohol wordt gerecirculeerd.

D

\.Jjf~~'~

Tenslotte

wordtopgemer~t

dat op de keuze van O-alumina als katalysator

~ ~ in hoofdstuk .~ reeds is ingegaan.

, '+

o

o

'0

o

D

o

0,

'0

I

De scheiding.

De productstroom die de reactor verlaat bevat naast etheen en een grote

hoeveelheid water nog a100hol, ether en verontreinigingenal~

aceetalde-hyd~ azijnzuur, N

2,CO,H2 en CH4 • Voor het drogen van de produc,t,~.:>~~!~:om, ,

word t gekozen voor een tweetrapscond:nsatie. Het reacti~mengSei''''-aller- ..

jAJr.

eerst met de voeding gekoeld tot 60 C waarbij

wate~ ~onàenseer.:t...-B-i-1 ~

de,ze temperatuur lost een geringe hoeveelheid alcoho~0p in het spui~vater

, . \ ,

en gaat verloren.(bijlageF).De hoeveelheid opgelost~ etheen is bij deze

,temperatuur zeer gering. Bij hogere temperaturen kan minder water, gecon- '

.c.';.-; - ~:"J'.,',;;;~.

denseeni \{orden en worden koeler H1'1~-"T4 en T13/14 zwaarder belast.'Lagere

temperaturen veroorzaken grotere alcohol en etheèn verliezen doordat de

oplosba~rheid tOGneemt. Bovendien wor~t bij lagere temperaturen in V10

de wa~mtewisselaar H3 groter •

.J' • H11 5 ' () C •

10

0,

,

14

Dit temperatuurniveau is te realiseren als tussenniveau in'een

koelsys-,Dh

teem dat, voor de verdere zuivering toch

noodza~ëlijk

is.' J;,agere

tempera-,rvJ~vf>,/1,

turen zijn zonder toevoegingvan vriespuntver, lagende stoffen niet haalbaar

'~ , ~'

o

V'\\".J zonder hetgeuaar van dichtvriezen van leidi~gen .• ,

·0

o

o

·0

o

o

o

o

o

0'

·U

CV In afscheider V12 wordt dan een alcohol/water mengsel afgetapt. De

res-terende hoeveelheid watèr wordt verwijderd in T13/14 met moleculaire-zeef 3A.

Het gehele scheidingssysteem bestaande uit H3, V10, H11 V12 en T13/14

kan geoptimaliseerd ~örden me~ als parameter de temperatuur in V10.

V~rlaging van deze temperatuur heeft tot gevolg:

1. H3 wordt groter

2. Verliezen aan alcohol en etheen nemen toe. 3. H11 wordt minder belast.

Verhoging van deze temperatuur heeft tot gevolg dat

1. H3 kan kleiner

.q

. /

.

. '

2. H11, T4 en T13/14 worden zwaarder belast

3.

De ~erliezen worden geringer~

Nauwkeurige optimalisatie zal de temperatuur in V10 moeten 1everen. In eerste instantie iS,het optimum in deze configuratie geschat Op

60 °C~

Een andere moglijkheid is H11. met koelwater te koelen ten koste van een

,aanzienlijke ve~groting '"lan T13/14. Tenslotte bes,,taat ,nog de

mogelijk-heid H11 en V12 geheel te laten vervallen. Hierdoor zal echter de gehele droogcapaciteit door de droogtorens moeten worden opgebracht.

De zuivering~

Het gedroogde reactiemengsel dient tenslotte nog ontdaan te worden,. van alcohol, ether, waterstof, koolmonoxide, methaan' en stikstof. De

zuivering in de U.C. plant vindt plaats bij

8,5

atm zonder diepkoeling

zodat alleen alcohol en ether vloeibaar gemaakt worden en gedeeltelijk

in een afscheider verwijderd kunnen worden. De rest van d~

verontreinig-ingen wordt niet verwijderd waardoor de zuiverheid niet meer dan 9l%be-draagt.

,Om' tót hogere zuivérheden te kunnen komen zullen alcohol e~'ether afge;"

destille~rd moeten worden. Bovendien kun~en H₂,CO, CH

4 en N2 dan boven

in de kolom gasvormig van het etheen gescheiden "lorden (in' d.e reflux-drum) •

Hiertoe moet het etheen vloeibaar gemaakt worden. Primair '~J dan de keuze

--~--~--~~---~--~

..

---~---~~~---~~~--~~.

o

o

o

o

o

o

o

o

.0

o

o

o

.0

o

o

o

0'

o

()

15

van het temperatuurnJ..veau in combinatie met de druk. Een lage druk be-tekent koeling tot zeer lage temperaturen; bij hoge druk zal minder ge-koeld behoeven te worden'maar zullen de compressiekosten stijgen.

Over het alg~meen kan gesteld worden dat koeling duurder is dan compri- .

~"o .'

meren. Gekozen is daarom een temperatuurniveau ~an -38 C, een

tempera-tuur die met een enkelvoudig propaan koelsysteem nog 'haalbaar is. Lagere

~emperaturen impliceren direct, een veel duurdere caspade koelinricht-,

ing met b.v. etheen als tweede koelmiddel. De druk die hoort bij een condensatietemperatuur ven etheen van -38 oe is ,15 atm, een druk die met

een drietrap~compressor met k6~lwatertussenkoeling te bereiken is.

In principe, zou het mogelijk zijn de koeling te verzorgen met auterefridg-eration doo,r expansie van, de productstroom. Er wordt echter vanuit gegaan

, ~ ~ dat het. ,etheen verwerkt wordt tot polyetheen waarvoor hogere druk nodig

~~

is. Bovendien_zou de

capac~~eit

hiervan n{et voldoende zijn om zowel de

koeler H22 als de topcondensor,H24 te bedrijven. Daarom wordt een apart koelsysteem toegepast.

o

o

o.

o

o

o

D.

o

o

o

o

o

o

16.

7.

KEUZE EN BEREKENDm VAN DE APPAHATUUR

In dit hoofdstuk zal worden ingegaan op de keuze van de apparauur

en de motivering daarvan. Voorts zal in het kort de be~ekening van

de'diverse apparaten gegeven worden. Voor gedetailleerde berekening~

en zal 'naar de bijlagen verwezen worden~ Achtereenvolgens zullen

wor-den behandeld: 1. De reactor 2. Het fornuis '

3.

De warmtewisselaar H3

4 •.

])e .droogtorens

5·

De . compressore,n

6.

De destillatiekolom

T4

~

• . ,;C\~~I.

7.1

De reactor. """""'Ir" ()W~ .

De .endotherme reactie vindt plaats in

ç

buizenreactorgevuld met

altimina katalysator. De benodigde react'iewarmte wordt toegevoerd door,

de ~uizen in een f~rnuis te plaatsen, waarin de warmteoverdracht:ddar

straling naar de buitenwand van de buizen plaatsvindt.

~

Voor het reactor ontwerp moeten gespecificeerd worden: 1. De buislengte

2. De b~isdiaméter

3. Het aantal buizen

4.

De reactiedruk

5.

De massastroom per buis

6.

~ De reactortemperatuur .

7.

De buiswandtemperatuur

8. deomzettingsgraad

Voor de berekening hiervan is een rekenmodel opgesteld waarvan het schema in fig. 7.1.1 is weergegeven. Dit levert de·reactortemperatuur en omzettingsgraad als functie van de buislengte bij gegeven buis-geom.etrie, massastroom, druk' en buiswandtemperatuur. Uit de opbrengst per buis is dan het benodigd aantal buizen te berekenen.

Aannamen voor het rekenmodel zijn: 1. Ideale propstroom

0'

o

1"0

I I I

"'0,

0,

o

-0

o

o

D-O'

o

o

'0:

o

,0

0'

o

o

o

, 4=

~o(trf()

J

4;0 .

~

"f

_{- ,} \ :< ' ct'? 1?rl • 71 ~

jb)

~~;:;jo ~~)\

17

--. I J \ ! q / '

'-~

_{, -'1'} I \-.! r:'~ /0

-

::-~. " tt ~\ ~,-.--\ hJ, \ . , " fig. 7.1.1

0

0

,0

0

O·

0

·0

. 0 ..

'0·

'0.

:0

D,.

0

0

0

·0

/r

0

0

0

'0

18

.3. Afwezigheid van diffusielimiteringen

. 4.

Isotherme katalysatordeeltjes 5. Isotherme buiswand

6. C . en AH co'nstant

::e r

1.

stationaire toestand

De volgende vergelijkingen kunnen vervolgens worden opgesteld: 1. 'De massabalans over een volumeelement dV

2. De warmtebalans .

Teneinde deze balansen op te kunnen lossen zijn. nog nodig: De.reactiesnelheidsvergelijking (lit. 18)

(mol etheen/cc.kat.s) waarin: .

I

hJe..!; Arreni us:

,---·-..,..,----,--- .. ····-1

I

k 00. Ep. (kcal/mol)! .T= 350 400

Del

; . i 10.0521.0.55.,

i

1.0.' ! 2.0 , Ik1

13.19~1012

39300 !, _{k 2 ; 11168} 11500 ~L ______ ~ __ ~-~---. Omwerken levert:

3.

_RA

=

44,6.k1··P~/(PA

+

k2.P~'/)

(mol'etheen!m

3

bed sec) met

4. k

1 3,190.10

1

.exp(,..393 00/RT) en

5.

k₂ 11168. exp(-11550/RT).

De partiaalspanningenhangen af van de omzettingsgraad volgens: ~.

6'.' PA' = PA 0(1-S) atm \ > ' \ol

+,~

=

~~~\?w

f

~~ ~~

, . P W ?= P

"1 :

0 + PA, 0 •

J

') -

"'"> 111 0 . . ,

~

De voeding bestaat uit 5 gew"(o water, dat is 12 vol~'0. dus geldt Pw,O= 0,1 36.PA,0 zodat:

1.

PH = (0,136 +j).PA~O atm

8. _{PA,O = 0,88 Ptot} atm

Voor de volumeitromen geldt de volgende vergelijking: '9.

P

v', ";;6v,0(1+C

j)

m

'3/

s ·1 1

I

·1

. I

I

. " f

o

o

o

o

o

iD

o

o

o

o

D.

o

o

o

o

n

.'

O·

o

o

19 Hierin is: .

=(V:=I -

1=o)/V

₁

=O

Voor 5 ge'w% water géldt ;:

=

0,88

de warmteoverdr'achtscoefficient van de buitenwand van de pijp naar de katalysatormassa geldt: '

1/u

=

1/h.

+ d/~

~

d, de w~nddikte van de 'pijp is

baarheid van staal is volgens

gesteld op Perry (lit. mil.

"'c/\v

0,01 m, de warmtegeleid-1) 3919

\v/m'J...

o

c ..

cm zodat 10. Voor het 11 .

I

·

-4

I

1 U

=

2,5 10 + 1 h. . ~ h~ , de warmteoverdrachtscoefficient

katalys~torbed geldt (lit.

41):

h .• d

Ik

,= 3

6(Re/~)0.365

~ p g , .

12. Re =

t.

Y •

d_p

1"'1.

=/0 .

~v,

0 • dp

I

(;r

R Q

.~

) en

13.

Ic

= P_tot

.k1o/RT

van de binnemvand naar

Voor de berekening v~n de benodigdi.fysische constanten en de

ther-_modynamica en kinetiek wordt verwezen naar de bijlagen B4en B5. Het rekenmodel bevat nu 13 betrekkingen tussen19 variabelen zodat

5

variabelen vrij te kiezen zijn. De instelbare variabelen zijn:

1 • De totaaldruk P tot 2. De buiswandtemperatuur T _k

3.

De volu~estroom

cp

0 v, 4. De buisstraal R 5. De buislengte L

Keuze van de instelbare variabelen:

ad 1) De reactiesnelheid is onafhankelijk van de totaaldruk.

Druk-verhoging \'lerkt alleen een verhog' ng van de. etherproductiein de hand

omdat dit een tweede orde proces in alcohol is. Gekozen is derhalve' voor 1atm als procesdruk.

ad 2) De buiswandtemperatuur beinvloedt de warmteflux naar de

kata-lysatormassa via l'lT. R en

cp

_v, 0 hebben invloed op resp. het

warmte-"Tisselend oppervlak per volumeeenheid katalysator en d.e

warmteover-drachtscoeffici~nt aan ~é binnenzijde van de wand naar het bed. De

reactortemperatuur mag niet hoger worden dan 4îO ~C i.v.m. de

pro-ductie van aceetaldehyde, ter\vijl T

k niet hoger' mag zijn dan 750

°c

Lv.m. de materiaaleigenschappen van de buis.TIovendien.hebben Ren'/'

D"

o

o

o

o

o

,0

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

'0

'~.

20

invloed op de drukval. Daarom worden ~ O,R err T

k gezamelijk in

v, "

een vereenvoudigd rekenmodel beschouwd. ( zie bijlage B'2)

ad 3 en 4) Zie punt 2

ad 5) _{De buislengte L légt bij een gekozen diàmeter, druk,}

volume-stroom en buisHp.ndtemperatuur de verblijf tijd _. T' _s vast. Uit fig. 1.1.2

. ~

blijkt dat voor waarden van "'[

s

~'O,

1

~ slechts zeer langzaam toeneemt. ( Voor de berekening hiervan zie bijlage B1). Voor een verhoging van de omzetting per. buis is dan een onevenredige vergroting van het

re-actorvolume nodig. Dit stelt een bovengrens aanT: • Aan -C is

even-s s

eens een ondergrens gesteld; 'de reactie naar ether verloopt n.l. bij

hoge alcohol~oncentraties sneller dan de reactie naar etheen. De ether~

. IJ ,tG"o, . . -reactie is omkeerbaar en daar het etheenevenwicht aflopend is zal

;~

rl'7bij langere verblijf tijden ether weer omgezet worden in etheen. Dit

,-,n:"",(~ b~,ijkt o.a. uit fig.

1.1.3 .

Gekozen is 'voorJ =

0,9

dus rs=

0,1

sec.

ijt>\Y,,' ..

.. :"!!':

tt

0

0

0

·0

l'

0

0

..

0

0

0

;

D

,'0

0

'0

0

0

0

0,

0

1,0'

,.

-0

'] 0.3 00.2 ä ~ Q:l 0.1 , . oU'· :: .' . ,0 {. 0 , ... ',= Q:l ~ 0.8

o

.. ~ '.0.6 -ö ." ~.

--a ä

=0.4

. ... ,'. oU l-'0 t" E

.-... f.

21

,!0:2

~

, ~. &; -:. Ol ,

...

1]

,:,._. '-Con~ersion of ethanol to ethylene aÎld ether

. - . ~t··.iÓO° ~eaction temperatur~ fOf representati ... e catalyst

. '. batches.

",.2;

4 8 12 16

R.eciprocal space velocity (sec.)(cc. catalyst)/(cc. ethanol vapor at S. T. P.).

'o,'

. :r-Tu dienen <p' 0' R èn T

k nog bepa.a:1d te worden. Om de gezamelijke

in-..

. v,

vloed van 4>v,o en, R te beschouw,en is een vereenvoudigd rekenmodel

opgesteld. Verdere beperkingen ten aan~ien van het eerste model Zijn:

1. Geen axiale·temperatuurprofiele~

2."[ = 0,7 sec. s

Vervolgens kan als functie van <pv,o,en R berekend worden. (bijl., B2):,

1 De drukval over het bed; dit mag maximaal ~% bedragen.

2 Hèt aantal buizen

3 De minimale buiswandtemperatuur; deze mag maximaal 1000 K bedragen i.v.m. de materiaaleigenschappen.

4

De buislengte'

. .

5 De kosten aan investeringen en'stookolie, waaruit een optimale waar~

de voor R en ~ 0 gevonden kan worden.

v,

ad 1) De drukval over het bed wordt berekend met de relatie v~n

Er-. gun ( L; t -'8

J.:

'

AP=(L/P).rp _l.[

v

2(1_€.)/d • _p €.

3(150(1:"é.)/~e

_p +1,75) in

%

ad 2) De opbrengst per buis bedraagt :

q;v,O'~A,O<S

Met een jaarproductie van 30000 ton etheen in 8000 productie~ren volgt

n= 30000.10

6

/(4) O,C

A

0·~·8000.3600.28)=37,2/<p

O·CA·

0'::-,. v" ,) . v, ,...)

ad 3) De minimale buiswandtemperatuur T

k volgt uit de warmtebalans

o

o

o

o

D

o

o

'0

o

D

o

o

'0

o

o

D

o

o

ad ad 22 Q=p _v, O,C_{A ,} 0.1.àH _{. r} ~ _{U.2v.R.L(1- k- T)} . Tk=t:pv,O.CA,o.-ç .6Hr /(U.2;rR.L) + T in K

4) de, buislengte L volgt uit:

V

/c}

="T L= L •

cp

0/77R2 in m

,v,

°

s s v,

5) De kosten aan investeringen volgen uit:

1. Het benodigd gewicht aan ~uizen W.

V

w=

2"R. d . . • L.n.O t I in kg

, pl.JP J s aa f-.~o·

Kosten

W.f~l

,met f=

16.,.~gulden/kg

dp;~,~

f

st 1 =. 3978 kg/ID. _ Dan volgt:

7

in guldens

Om dit op dezelfde b,asis als de stookkosten te berekenen is 'een rentepercentage van 10% per jaar aangenomen. De jaarkosten moe-ten dan over 8000 bedrijfsuren verdeeld "Torden. '

_ K= 1j07,17.,.;R.L,n/(8000.3600.10) in gUlden/sec

, ~?-De-stookkosten worden in de fornuis berekening bepaald.

.7 .. 2 Het fornuis.

Bij'de berekening is ilitgegaan van,eén fornuis met .verticale

pijp-'en.De methode en de gegevens volgen uit Perry'(lit. 1').

I

.De warmteflux ineen fornuis wordt als functie van de uitgaandé rook-' I .

gastemperatuur I3.n buiswandtempératuur gegeven door:

Omwerken na.ar het metrische stelsel levert:

r

4

Qf= 0,54. A

f"v.

L(T/55) - (Tl{/55

)~

waarin Qf: warmte flux

(H)

Af: (): T : g 2 totaal oppervlak. ~ '\ (m)

emmissivi tei t

va,oli~)=

0,75

rookgas temperatuur . -'\.., __ .... ~lE-y---,

T

o

o

o

'0

.0

~D

o

.0·'

o

o

o

o

·0

23 De rookgas temperatuur volgt dan uit:

Tg= 55. UQr/(0,54.Ar·c5)+(Tk/55)]t Qr= n.Q

A

f = 2~(R+0,01).L.f waarin f ~en zichtbaarheidsfactor

is, die afhangt van de configur~tie. Voor onderstaande co~~~g~r~ti~.

bedraagt ~0,87.(rig 7.2.1)

-4~~'~".I~I"/",,.' i .

·/~.!..;"":"-· ' - ' '

-fig 7.2.1

Warmtebalans over het rornuis:

~{_ toegevoerde warmte: uitgaande van stookolie van 150 AP! vindt

. 6 . ·

men voor de verbrandingswarmte 16500 Btu/lb 38,38.10 J/kg olie~ .

- argevoerde warmte:

voor'de verbranding is nodig'bij 0% overmaat: lucht 7,58 lb lucht per 10000 Btu. Daaruit volgt 12,5 lb lucht/lb olie.

Bij een gekozen o~ermaat lucht van 30% geldt. dan:

17,25 kg rookgas/kg olie C r~okgas bedraagt 0,26 Btu/oF. lb

p

= 1088 ~/kg.K

18774,21 J/kg olie.K

Er verdwijnt dus C

_P

CT -T

_{g buitenlucht}

)

J/kg olie.

Daaruit volgt've~lies:

Q = 18,8.10_v 3(T -Tb' t _{g u~ en uc} '1 ht) J/kg olie De warmtebalans.bij het stoken van G kg Olie/sec luidt:

G·Qt· = Q,f + Qv· G

G~Qt-Qv) = Qf' opgenomen warmte in het fornuis

G=.Qr/(Qt-Qv) is.de benodigde hoeveelhe~d olie/se~.

Neem aan dat 3% verloren gaat naar de omgeving:

G= 1,03.Q.f.

JCQ

t - ~)

o

o

o

o

·0

'0

o

o

o

o

o

o

o·

o

24

De totale kosten' bedragen dan de investeringskosten plus de stook-' kosten:

:BEREKENINGEN

"Voor het vE':reenvoudigd model is 'een Algol-rekenpr~gramma gemaakt

dat verschillend~ variabelen als functie van ~v,O en R berekend.

Hétprogramma en de resultaten zijn opgenomen in bijlage 132 •. Achter-.eenvolgeris zijn berekend:

Eet Reynoldsgeta1. (bijl. 132.2)

De minimal~ buiswanqtemperatuur T

k (bijl. 132.3)

De drukval in

% (

·bijl. 132.4)

De totale kosten (bijl. 132.5)

Deze figuren. zijn gecombineerd om een optimale combinatie van

p

°

v,

9

·en R te vinden (fig.

7..

2 • 2 ). Uit de figuur van de kosten b~t

datvoor·R~0.,005: m deze sterk gaan stijgen als gevolg. van de mate,:"

!

'riaal;kosten benodigd voor pijpen met een kleinere diameter.' Voor

R>0~02 m stijgen de kosten tengevolge van de toename van de

mini-male buiswandtemperatuur.Deze wordt hoger als het warmtewisselend .. .oppervlak pe'r volumeeenheid katalysator afneemt, dus bij toenemende

R. De toename' van de buiswandtemperatuur vraagt een hogere rookgas-temperatuur en dus hogere kosten. De combinatie van kosten

met'druk-val geeft een snijpunt van de 5%-lijn met de' kosienlijn bij eenep 0

3 . v,

van 0,0034 m /s en R= 0,02.25 m~ Uit de grafiek van de buiswancltem-:- . .

pérat':lur is de bijbehorende T

k afgelezen op 700~k.

Deze waarden zijn ingezet in het eerste rekenmodel en uitgevoerd met

. .

'een Fortran-CSi.1P programma waarin de gekoppelde differentiaal ver,:" gelijkingen van de massa- en warmtebalans gelijktijdig worden opge-1.ost. Het programma is opgenomen in bijlage 133.1 ••

. .

Uit de eerste berekening (bijl. B3.2) volgt dat bij een buislengte van 8 meen omzettingsgraad van 0,9 gehaald kan worden. Er blijkt

echter dat de temperatuur in de reactor dan oploopt tot

696°K

ter-. aJ."/e {,~ de:. . 0

wijl i . v. m. de ;e;~He~productie slechts een stijging tot 410C is

·toegestaan; Door een temperatuurprofiel aan te leggen over de lengte

van de buizen is het mogelijk de reactortemperatuur onder 683cK te

houden (bijl. 133.3). Het aa.ngelegde profiel vlordt. gerealiseE?rd door de gassen uit de convectiebank in te voeren aan de onderzijde van de

'·'0

i . ~! . _25.

o·

" "! ;.' 0 , >-. ;

-s. .'

r:: Q) 0:: (IJ "0

E

:'3 0-0 C'1 10

q

q

. , : .. "'

co·

o

o

C\I O' . . (.-., • C\J

....

Ö (Y')

JU'

~. : lil .. . ei:. " . :=' . 0.. . . . Ó . . ;;;- .

:

:"1['~

_.

--.;;::...--:;:: 0 - $ · :

j';:

.

~

j ..

. " < 1

-.E

-• I ' .

r .

~~'.

.-~" "

·X~

_:.

_~

_..

:J-

_~

. ' .

o

0'

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

0,

o

26

verticaal in het fornuis geplaatste buizen, en de vlafu in het

for-nuis zodanig ,te 'regelen dat de bovenzijde van de buizen koeler zijn~

'Di t is een situatie die over het a,lgemee'n optl·èed~ in ino.ustriele

fornuizen.

Omdat in het eerste gedeelte van de reactor de grootste temperatuur-daling optreedt zijn de eerste 30 .cm van de reactorpijp apart

bere-kend .. (bijl. B3.4). Hieruit bleek 'd~\ de temperatuur nièt lager wordt J

dan 666°K.

Omdat nu de 'volum~stroom, diameter '(en daarmee het aantal'pijpen) en

de buiswandtemperatuur vastliggen kan het fornuis berekend worden.

Om rekening te houden met,deactive~ing van de katalysator wordt het

benodigd aantal buizen vermeerderd met

5%

tot 800. Deze buizen kunnen

in vier vierkanten met een zijde van 6,5'm i~ het fornuis geplaatst

worden, terwijl de afstand van de hartlijnen 2x de pijpdiameter be-, draagt.

Als laatste dienen de aannamen gecontroleerd te worden:

Film- en poriedifussielimitering treden niet op. (Zie bijl. B6) Ideale propstroom mag worden aangenomen daar:Re>10 en D/d >10.

, p

Er treden wel radiale temperatuurprofielen op. (Zie bijl. B8): Samenvatting Reactorgegevens.

..:

Buislengte 8 m

Buisdiameter 4,5 cm

Aantal buizen 800

~1Ië> , per bui·s 0,0034 m3/s

Drukval ₅

_%.

Rookgastemp. 'Opge~omen \-Tarmte Stackverlies Verbruik . stookolie 926 o· C:

Di:.:---.,----' -,-...:.--

'

,

,

___ ... -... _., ·-1. 3 -

De-·warmtewisselaar H3

o

o

o

0'

n

In tegenstelling tot het Union Carbide proces (lit.7) waar'ij~enschijn~

l~jk weinig aandacht is besteed aan de w~rmtehuishouding (o.a. de

sproai-. .

toren) is hier getracht het energieverlies te beperken door de voeding te verwarmen met de productstroom. Hoewel tengevolge vaneèn betrekkelijk

o

o

o

o

o

o.

o

o

o

D.

o

O·

o

o

··0

:0

!o

o

27

ongunstige warmteoverdracht een groot warmtèwisselend oppervlak nodig ,~

zal zijn is verondersteld dat de kosten ·.h,iervan op' den duur zullen op-wegen tegen een verhoogd energieverbruik als H3 niet geinstalleerd zou worden.

'In verband met het 'grote temperatuurverschil dat zal 'optreden tussen de mantel en de pijpen is. zeer zeker een warmtewisselaar met een uit-zettingsmogelijkheid noodzakelijk. Daar zowel aan de tubeside als aan de'shellside gassen en vloeistoffen zullen stromen met vergelijkbare 'volumestromen en dezelfde ,druk is op grond hiervan niet vast te stellen '\-,elke stroom door de pijpen gestuurd dient te \-Torden. Wel kan gesteld

worden dat de- prod~ctstroom het meest vervuilend zal zijn i.v.m.

poly-merisatie van etheen. Daarom is besloten de.productstroom door de

pijp-Ém te sturen.

Allereerst zijn voor beide stromen de in- en uitgangscondities vast-gelegd: 400 0

e

60

0 Product t.

=

t uit

=

·e

J.n Voeding t. _J.n - 25

oe

.t _uit

=

165

oe

Voor een aantal van de in dèze warmtewisselaar optredende overdrachts-_.

.

. processen, b. v. voor condenserende d~mp met inert '. zijn de h-\.,raardim

moeilijk te bepalen; ze zijn alleen te schatten. Er is gepoogd voor het gehele' apparaat een gewogen gemiddelde voor de totale

warmteoverdrachts-coëf·ficient U te bepalen völgens.de methode be~chreven in Kern (lit.34).

Hiertoe is door berekening van de voor de verschillende processen beno-' 'digde warmte ( QA t/m'QF ) vastgesteld welke overgangen er zullen

op-treden. Zo ontstaat de situatie weergegeven in fig. 7.3.1

h'

I 11 I '; t

~U~'E5iDE"

I I

I

PRODUCT

, , I 1 ï ï' i ; (QF: CQe I

~D

FT

'

~.:I~~----,-.----

__

~Á~ _______________ vl _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ) l I

r

I ._--~ :.

~S"

I

.1 I I~,: ~:l.

'1·

= :

. 1 I ,I I 13),5": ~t'6,o

I

I

1 , I

L:::-y-__

± ___ '_

~A . :'-:--. , , ".4"' I . I

--:,

. I I

...

1 ï I :lI"~ <g I . I' , ,.,~ I . . • ---y---:---" "

~e

F·I~

~c

'

b-

1.3.

r

, , ~~

0

.0'

0

0'

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

,

.

.-0

0'

o

o

o

o

, '

O

'.

28 ... :

Een en ander is uitgewerkt in bijlageC.

Er ,blijken de volgende overgangen op t~ treden:

1 • ,2.

3.

4.

,5.

TUBESIDE / SHELLSIDE vl~ei~toi/vlOei$tof,

condens. vloeis:' . +inert/ vloeisl:

11 ' /verd. vloeist

damp

1

_"

,11 / damp

Warmteoverdr.' coef.

, Na br~kening _{van deze h-waarden (bijlage C) kan UTOT bepaald worden}

met: !' , 5 "

1/UTOT =

~

(

~i/

(f

Q,i) • ( 1 /hi

~

) ,

'Het resultaat is 'U TOT= 38,1 w/m 2

_oc

'" met .6T l , 105

°c

, og 2492 kJ/s en Q, = ll- •

levert dit ingevuld in _{'Q,= 'U.A.bTl}

" . ' , o g

het benodig~warmtewisselend oppervlak.

~ekozen is 1 inch pijpen met de volgende diameter:

inwendig 'ui twendig

0,-951 inch '1,049

_"

Wanner een warmtewisselaar met 1pijppass gekozen zou wordenJvereist di t bij een maximale pijplengte van 6 m 1010 pijpen .• Toepassen van

2 pijppasses zou een ,te lage F-factor opleveren; daa~om is gekozen voor

~,

4

~ijpasses en 2 shellRasses. ,.

De F-factor bedraagt dan 0,15 (lit. 34) zodat

, D

TlOg(gecorr~geerd)

= 0, 15

~1'05=

80

"c

A= 818 m2 -,

' Invullen in 1.3.2, levert,

daaruit volgt 818 = n. (rrd).. L ~ n. L= 8568

met L= 6

m

en 4 pijppass~s levert dit n= 426 pijpen/pass

Met l' inch pijp,en op> een 1tinch driehoeksteek vogt hietui t eén m~nt,el­

diám~ter van 31 inch (lit. 34,35).

,Het is wellicp.t mogelijk het benodigde.warmtewisselenq. oppervlak te

be-.

..;

perken door toepassen van gevindepijp~n. Vooral op de plaatsen waar

damp/damp en vleoiátof/damp contact plaatsvindt zal de warmteoverdrachts-coefficient aanzienlijk verhoogd kunnen worden. De vraag ïs echter of

". '~

...

~

';i.','4. ,,,-'

0

-0

0

0

0

,0

-0

0,'

0

0'

'!

0

0

0

• .I.

D.~

0

-0

"

0

O· \

..

•

0

0

n

29

de hie'rmee gepaar~a~nde hoge::.3k0sten zullen opwegen tegen de. vermin""":: "

derde kosten van een klei~er oppe:r;'f.\ak:.f/JE;i':' .

. 1' f -.. ... ".~.~. '!-;. .:..,.::. '

,

.

7.4 De droogtorens' T13 en T14

Het drogen van het.gasme.ngsel dat' de afscheider V12 verlaat kan op

",' verschillende 'ma~ièren gebeuren: .~

1. Met zwavelzuur. Voordelen hiervan zijn e'en grote capaciteit en een

zee~'lag~ bereikbare dampspa.nning. :Ha~elen zijn echter, het hanteren van

een zeer agres~iève vloeistof en een ingewikkelfte ,regenerá.tie~.

2. Silica en Alumina. Voordelen zij~ een g~ote capaciteit (weliswaar

, ,

,!ifhan~el~j~ van.-t-'de re,7.atieye vochtigheid) en regeneratief, gebruik.

Een belangrijk: nade'el van silica en alumina is echter Çlat onverzadigde

koolwaterstoffen' st~rk geailsorbeerd worden en op het oppervlak

poly-merfseren; Dit neersiag ~s tijden~ regeneratie moeilijk te verwij~eren.

& ~.

Hierdoor ~w~rd t de c!,!-paci tei.:t tijdens' 1:iet gebruik belangrijk minder en

1 1 1 . ' " ;;;. i'!>< i " , "" <l

zullen lange bedden nodig' zijn.(lit. 36)

,Een oplossing voor het drogen vari olefinen is het toepassen van

'.

3. 1n:olecul'aire. zeven. Voordelen zijn een hoge selectiviteit(in molzeef

,3A wordt in dit geval uitsluitend wat~r geabsorbeerd), groté capaciteit

en een werk'ing die vrijwel onafhankelijk is van temperatuur en re.latieve

/

~ochtighei~

(li t. 36,37) • Bovendien, zijn watergehalte$] tot

'1

pp~ haal~

b~a~ (lit'38). ~enslotte kan opgemerkt worden dat een.molzeefbij 200 ~C'

geregenereerd kB:nworden ~er.wijl,voor silica

em,

alum~na 350 0 C' nodig 'is.

;,

'Àa~~enom:e!l

'ffiBr'$'

w~r~eri~ d~t 6ndanks,hioger~' inv:s;tèr:Ï;ngS'~o&:e,n; 2~t

ge,bruik

van' moleculaire zeven als q.roogmiddel aan te bévelen is. ~

ti

, .' Besloten werd, 'twee 'droo'gtQre~s in wisselbedrij f .. te', gebruiken:tb ,shifts

van 8 uur.' Bij de. gekozen proces condities is een b:ed nodig met een,

dia-mete~ 'van ~,45 m en. een hoogte va,n 1,21

In

(bijlage D).' '.

,D~,

4rukvll ,gye:r het,.

be~d

is gering, ?O

mbar/rrv.-ete~~<isorb;ns~ (~i

t

3~),

z'Pdat in dit gev;:l de drukval 0,03 atm zal bedragen.

7 ... 5'

De comp:esso:r:en., :j; ~,é

f> 't", ,ià. '" '~~ .

*'

SI! ~:, ' I" '"

- ' , f;. , : . • ' '~~ • -.,;~ ,,~, ~. ~

..

{i •.

-" ,<$ ~',

, De ~theen stroom moet na droging gecomprimeerd worden tot 15 atm'. naar

de temperatuur van "het etheen hierbij niet boven 110 oe mag stij,gen in

verband met polYIf1erif;la~ie in de co~pressor

(1:1..

t.

6)

zal in drie trappen

~. ''''. " . ~\ .. ! 'jf" •• <, ,'f:~ l

0

0

.0

n

D·>

.

0

0

0

0

D.

D·

'0

0,

'0

0

0

o

o

o

o

·0

'> ~ ,"""a .jO \ '

/

met tussenkoeling gecomprimeerd moeten worden. \vanneer gelijke, druk-.' verhoudingen gekozen worden zullen de drukniveaus 1-2,5-6,25-:55 atm

bedragen. De temperatuurstijging in de trappen kan dan als volgt. bere-J • kend worden: 1 fr ~"'.. , ... "1" =

(p'2:/·P1)~li:':1)7o'.'

~2 Tt idètO'= 1,26 '(lit.

1)

, 'P2

/p

1 = 2,5 T

1 = 278 K.voor de eerste trap levert dit een temperatuur van

62°C na de eerste trap. Verdere co~pressie zonder tussenkoeling is niet

o

mogelijk omdat dan de temperatuur na de tweede trap 132C zou bedragen.

Daarom wordt eerst met koelwater gekoeld tot 30

°c,

even~ls na de tweede

trap. De tempe.ratuur na de tweede en derde trap bedraagt dan 94

oe.

Wel zal na de tweede compressie e~ tussenkoeling een deel van de' nog in

het gasm<?ngsel' aanwezige alcohol condenseren. Dit kan in de knock-out· drum V20 afgescheiden worden. Deze hoeveelheid wordt geschat op 0,021 kg/s, aangenomen dat het mengsel zich ideaal gedraagt. Ook na de eerste

trap is

e~n

zuigvat (V'17) geplaatst. om eventueel aanwezige vloeistof

af te vangen.

De bedrijfscondities vallen in het werkgebied van compressoren met een

roterende verdringer., (li t. 35). De keuze van een centrifugaàlcompressor. _,

l.ijkt dan ookgerechtvaardigd,en wordt bevestigd door de praktijk. In etheen fabrieken. wordt meestal dit type compressor toegepast vooral in verband met de grote bedrijfszekerheid.

Het te installeren vermogen kan geschat worden onder aanname van isen-trope compressie:: . ".t.

...

"'~. ~ . .

"

"~

..

,

...

.. ' 'l-p < d _ À.. ~ .' Ti - ~ • C .b. . e m p '1 ;f Daaruit volgt: voor de eerste·trap P = 99·kW e

voor de t, ... eedè· en derde trap P = .112 kW ieder e

tota'al P = 323 kW

e.

I' ,

7.5.2

Met een gelschat oytfrall. rendemen.t ~.ab~0;6 (li t. :35) volgt da;ru~ t :voor ltf

het a~vermogen: P _as

=

•

323/0,.6

= 538 kW

.'

'; v:'.,. "

'.~ " ,'" ~" ~., • 'ijl,::

..

~

...

:

...

o

.0

·0

D·

o

o

o

o

D-o

o

D

o

o

o

D

o

n

10

~

fD

31 7.6 De destillatie kolom T4

Het condensaat, afgtapt in de afscheiders V12 en V20 vTordt samen met het

bodemproduct van T23 naar de destili!.-atie'kolom T4' gevoerd. Voor de bere-

_.

.

'kening wordt de destillatie beschouwd als de scheiding van een

pseudo-binair mengsel met een organisch topproduct (alcohol en ethe~l en water

als bodemproduct.

"

De specifi~atie ~én het topproduct wordt zodanig gekozen d~t de

verhou-ding v~n alcohol én water in het destillaat dezelfde is als in de

reactor-voedi~g, verdere zuivering is niet zinvol.Bovendien wordt de alcohol/

ether verhouding in het tO'pproduct gelijk gesteld aan die in voeding

-'

. van T4. De zuiverheid van het bodemproduct wordt hoog gekozen om de ver-. liezen aan alcohol en ether·te beperkenver-.

~

"

...

Na vaststellen van de 'specificaties is met behulp van een aantal

bena-deri~gsmethoden de kolom gedimensioneerd (bijlage E)'. De resultaten zijn

vermeld in tabel 7.6.1. , " .Kplomgegevens ~---~--T-~---'--Hoogte Diameter Aantal schotels Voedingsschotel Schotelafstand Refluxverhouding Energiebehoefte: • ~. ~.. r· condensor . reboiler 11,

m:

1 t 2 . m 18

7

0,5

'3,9

1144 735 m kJ/s kJ/s Tabel 7.6.1

,Bij de berekeningen is" er van uit .gegaan dat de voeding van de kolom'

op haar kookpunt ~ordt ingevoerd. Dit is mogelijk door de voeding op

te warmen met het bodemproduct van T4, water van bijna 100

oe.

;,o'J'

,

....

0

32

0

8. MASSA- EN vlAmIITEBALANS. . ... • ,r

0

\

Bij het opstellen van deze balansen i.s géén rekening gehouden met .. " ..

pompenergien, warmteverliezen naar de omgeving e. d ••

O.

Als nulniveau voor de enthalpieberekeningen is

25

oe gekozen.

D

0

"-0

_"

0

0

O·

" '.~~.

0

~ '-I •

0

;

0

0

~. .i." .,:,: f"

'0

.... ' ..

0

, ....

'0

·0

..

'0

0

0

0

IN

VOORWAARTS

REYOUR IN

_U'T

33

M

_t.~

_Q.

1 - - - - 1 - - - - ) . - - - - + - - - - 1 \/oEDiN~ 1 '"

M

_0.

I, ~;(;o ()

~n

- - - -

•

• 0,1

fT-0

_f.J,

~ ~--~---~---~---~

-D'

o

"

0

0

_{- - -} I~

-0

. . - - - + - - - - + - - - 1 - - - - 4 ~O:)'.~.~.l\S s'<;~( I -- - - . , - ... - "" J - - l > - - - 1 - - , - - - , - .

0

'0

0·.

I

0

I' I

'0.

I

iQ

I

~

O· ,

I • i ".

I' . ,

ia

, I

!.O

I I , '. ~----~---~----~-~----~ 3/3 b,t .. - - - _{- _ ' - - f}

_.

--

~ ~

il n.~.

iJ

J.::' - - - -~ Cf

•

:" .. ',' ... - 1---+----+----..;''---+---1

~._o

..

_~.

1---+---+-1.;.., -!. -./--' -+_ ... 7,--,-,-'1, g"--t-- - - ,...---. ... /2

.

I

t

SP:.ll • - .1/ \<OËLÎN6- I

-

...

-.7 3.4

:0:·:

;~---+_-.

_-

_---t-_ , - . , .'. ---+ __

.I----+---+----+--~~ ~. HIt ~f--_. _ _ _i_--::-~.---+_--O-+_-I-.; . ..;.~.-0_t

o

o

.0

o

Q

_ _ .'~_ 4~"'·

T

-- -r

I

.0 ...

r---.t--I-:--!---J

34Ht\ ''-I

V

..ti _..,. 1':2.

T13

t·

1>----,----I----I-:--'--=---1

--..

.. , - - - - j - - - + - - . J - - - 1

SPui

- - - 0,006

o

o

'0

.0

1_-r __

-I~/,.:.:.;j~'1.i./L.· -J--=--.1..'3~~U'

-

V - - -

:~,I'f

.

I---l.~--i

_.=J

0

'"

t -__

ï-=~---:-:--I--.,.!-~I

o_-+--=S:..:;:.:<..,:::3!...:,.._J.- - -.-- - _____ .... _{_ .} cor ... p.

MI"

\JI) _{t - - - - i}

KO!:~IV(i

_{... IJi!'.;-~. - - - ' -}

I

I

t---r---II~----t--~

===l

>.

.

.-J

ë/JERGI!: C I~ ... ~' /;5;/

'0.'

. 1 1 1 .

-r

---r---~~~,~O~2~'~~----~

--- , ').3

~

O·

.11

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

__

~~

__

-J

I~_'_'tl_':'--f-~' ,~/..::~~-;'~--.!..I!.!.I

1'!1,

gL -

- - _: -

·"25'*

--1_~_,+-~-+--_--1---' r----{----..J----L---~ " 1

-0"

t----I----1~...,..--I

-

. ", -" -·0

I

1131. {

,0

o

·0,

n

o

n

r--~-f-"

----,--l-.!..!./,...!..'

~~.:.."!. _~.

: - - - -- -

-~;;

6

I---l----r---~---I·

.. VI."' , [-- 0'/7 ï r.-~--"~----"---~----~

31

...

1~r--~:--~

I