\
Verslag behorende
bij het fabrieksvoorontwerp
van
•. G
•..
liulsb.Q:f
...
lt..P.
•...
R9
zema
...
.
onde
.
rwerp:
.
...
.Barei.d:i.llg
...
v.~
..
..
13utaan."!"J..
..
4."!".dial. ...
.
,
.
....
:
'
..
Mit
~
..
~
..
J.ci~
:
ti3.~.~~
....
an.
~
..
F.Q.~d~bY.d.e.
.•...
"
opdrachtdatum:
juni
1974
I
i
L.Jl.
[
~
fl
[J
o
n
n
n
I
N
H
0
U
D
l. Samen
va
t ting
Il.
Inleiding
lIl. Ui tgangspilll ten
voor
het ontwerp
a)
Externe gegevens
b) Interne gegevens
rvo
Beschrijving val1 het proces
v.
Proceskondities
VI. Berekening van
de apparatuur
VII.
Massa- en Warmtebalans
a)
Massaba1ans
b)
Warmtebalans
VIII. Lijst van gebruikte symbolen
IX. Li tera tuur
Appendix I
t/m
IV
Fugaciteitsdiagram
Massa- en
warmte
balans
Processchema
Patenten
pagina
1
2
3
4
6
9
la
21
22
25
27
29
39
40
48
49
I 1 l .
r '
l
.
,
if
I
I
[~
[
:
[
:
r:
n
l
j
n
l
n
n
n
n
r
I
j-
1
-r.
Samenv
a
ttin
g
.
Dit
procesvoorontwerp
beschrijft de fabrika
ge
van
butaa~-1,4-diol
vol-gens
een door
BASF ontworpen
l
en door
GAF (USA)2 verbeterde
methode,
hetgeen inhoudt
een
lage druk
gekatalyseerd proces
(6,5
atmosfeer)
dat uitgevoerd
wordt
volgens de "entrained bed"
methode bij
e
e
n t
e
mpera-tuur van
US
oe.
De ontworpen fabriek
heeft een
kapaciteit van
32.000 ton
butaan-l,1-diol
per jaar en gebruikt
als
gron
dstoff
e
n acetyleen
en
for
mal
dehyde.
Voorts wordt
waterstof
verbrui~t
voor
de hydrogenering
van
butyn--1,4-diol tot het eindprodukt.
Methanol wordt als
bijprodukt
gevormd
in
een hoeveelheid van
340 ton
per jaar.
De
katalysator wordt
in de
processtroom meegevoerd, hetgeen
een
sterke
redQ~tie
van cupreenvorming
op
de
katalysator
ten
gevolge
heeft,
terwijl voorts
een gel
ij
kma
tig tempera tuurprofi el in
de
r~aktor
wordt
verkregen.
Er wordt
steeds een hoeveelh
e
id
butyn-l,
·
1
-di ol
gerecirkul eerd
t
en
ei~de
de pH van het
reaktieme!1gsel
een
waarde
van
ca.
4,8 te
doen behouden 3 .
Het
gevormde
butyn-I,4-diol wordt
met
w~terstof
bij 200
atmosfeer
en
130
oe
k
on
tinu
gehydrogeneerd
tot het eindprodukt but
aa
n-I,4-diol.
Hierbij wordt de proceswarmte van de
exotherme
reaktie
afgevoerd door
een tachtigvoudige overma
at
wàterstof 4 •
Deze hydrogenering
is
eveneens
mogelijk
via e
pn
"batch-gewijze" o
pe
ratieS.
Een duidelijk nadeel van de "entrained bed"
methode
ten opzichte van
de fluide- of vastbed methode is de verwerking van de
katalysatordeeltjes
in de processtroom en de afscheiding hieruit.
Voor een kostenanalyse wordt
ve~vezen naar
appendix
IV.
De destillatie van de waterige butaan-I,4-diol oplossing na de
hydroge-nering is niet in de berekeningen opgenomen.
f 1 L.
r'
l .
r:
[
~
[
:
r'
L
J
[1
n
n
n
n
n
-
2
-11.
Inleidin
g
Butaan-l,4-diol
wordt al meer dan derti
g
jaar
op basis van het
Reppe-1
6
proces'
geproduceerd.
Aanvankelijk
vooral
gebruikt als
tussenprodukt voor de
bereiding
van
butadieën (synthetische rubber
in
Dui tsland
tijd
e
ns de
'l'weede
Wereld-oorlog), ligt de
grootste
toepassing tegenwoordig
in
omzetting
met
hexamethyleen-diisocyanaat.
Hierbij
ontstaan
poly-urethanen welke
toegang
geven
tot het
gebied
der
pOlymeren
7.
Door
zijn hygroskopische
en
weekmakende eigenschappen wordt
butaan--1,4-diol veelvuldig
toegepast
in
de
textiel-
en papierindustrie.
Door
waterstofafspI
i
tsing on
tsta
'l
t tetrahydrofunm
(THF),
dat
di
en t
als
oplosmiddel en
als
organisch
intermediair.
Door dehydrogenering
met koper-katalysat
o
ren ontstaat
~-butyrolacton,
dat als
uitgangsverbindin
g
voor
v
e
le produkten
kan
dienen.
Reakti
eprodu.1<ten met
fosgeen di en en
als waardevolle we
e
k:nakers.
Oxidatie
met
salpeterzuur levert
barnsteenzuur.
De te bouwen fabriek in Japan
zal
de
butl,4-diol produktie
aan-wenden
voor de
produktie
van polybutyleen
tereft<llaat
(PBT),
een
nieuwe kunsthars
8
Butaan-l,4-diol is
een
kleurloze, reukloze viskeuze vloeistof met
een
o
0
smeltpunt van 20,1
C en
een
kookpunt van 228
C.
Hoewel de
produktie
nog altijd op basis van het Reppeproces
geschiedt,
zijn enkele
wijzigingen
in
het
proces
aan~ebracht,
waarvan
de
belang-rijkste is de overgang van de vast-bed reaktor naar de entrained-bed
reaktor. Zoals
eerder
vermeld is ook een
alternatieve
wijze van
hydrogeneren ontwikkeld.
De wereldjaarprodukti e is onbekend. Wetheril1
2
vermeldt
een
produktie
in de
U.S.A.
van 10.000 ton
per
jaar op basis van
een
door he:n
ont-wikkeld proces.
Enkel e landen waar butaan-I,
4-diol
geproduceerd
wordt
zijn
West
Dui tsla..nd,
f
'
[
:
p:
r :
[
:
[
:
f
r
l.
n
[1
n
n
n
n
3
-lIl.
Ui tgangspun ten voor het
ontwerp.
a) Externe
gegevens
.
Uitgega:m
werd
van een
produktie van
butaan-I,4-diol,
gelijk aan de
kapaci tei
t van
door
de
BASF in Japan te bom'Jen fabriek, namelijk
32.000
ton/jaar.
Wanneer we aannemen
dat de
fabriek 8000
uur
per jaar
(333 dagen)
op deze
kapaciteit draait,
betekent
dit
een
produktie
van 1,81
kg
butaan-I,4-diol
per sekonde.
Het in te voeren
acetyleen is
99,9
%
zuiver;
het proces is echter
zelfs ekonomisch uitvoerbaar
bij
gebruik
van
een gasmengsel
dat
slechts
20
%
acetyleen
bevat,
bijvoorbeeld verkregen via het kra
ke
n van nafta
3
Acetyleen
wordt gekomprimeerd
tot
synthesedruk
(6,5
atm) en ingevoerd
op een
temperat
uur
van
25 oe.
De benodigde
formaldehyde
word
t
als een waterige
oplossing
van
37,5 ,
bij
90
oe en 6,5 atm ingevoerd, tesamen met recirkulatiestromen van
formaldehyd
e
,
acetyleen, butyndiol
en
katalysator.
De produkteis werd
op
9B
%
zuiver butaan-l,4-diol
gesteld
.
Het
eind-produkt bevat dan
naast
een
geringe
ho
e
veelheid formaldehyde
voor-namelijk
n-butanol.
De benodigde
warmte
voor
het proces wordt geleverd door stoom van
o
10
atm
en 185
c.
Het
konstrQ~tiemateriaal
bestaat uit
chroom-nikkelstaal,
behalve
de
warmtewisselaars, welke in Hastalloy
B
zijn ui tgevoerd.
Water fungeert als
koelmiddel,
waarbij
de ingangstemperatuur
20 oe
en de
maximale
uitgangstemperatuur
40
oe bedraagt.
Dit betekent bij
een op volle
kapaciteit
draaiende
fabriek een
lozing van 0,21 ton/s
aan water van
40 oe, hetgeen
thermische verontreiniging
ten gevolge
kan hebben.
Indien
niet
geheel zuiver a
ce
tyleen
w6rdt gebruikt, wordt uit
het
afgas acetyleen teruggewonnen
en gerecirkuleerd,
waarna slechts
inerte
gassen
als
stikstof en
kooldioxyde
worden gespuid.
Van de katalysator
wordt
steeds
ca.
0,2
%
uit de recirkulatiestroom
I '
f .
l
,
f :
1[:
I
!
I '
Il .
iI
!
I'
i
I
I
f '
I
.
I
[:
!
rl
II
J1
,
:
fl
i
l
J
n
n
n
Tabel I
4
-b)
Interne
gegevens
.
Tabel
I
vermeldt
de belangrijkste fysische
gegeve
ns
van
de
in
het ontwerp
voorkomende verbindingen9 , 10, 11
Fysische konstan
ten
kompon
en
t
acetyl een formal-
water
butyndiol but
.<wndio
l
methanol
prop!'irgy1-dehyde
!'i1kohol
smel tpunt
(oe)
-
88
,
8
-
92
,
0
0,0
58,0
kookpu.l1 t
(oC)l
O mrn
11,24
140
100
mm
51,57
194
760
mm
100,0
238
molgewicht
(
g/mol)
26,04
30
,0
3
1
8,0
86,09
dicht
heid
(
kg/m 3
)
0
,
0012
0
,
815
1,0
1,17
viskositeit
(cp)
0,00
94
1,
0
warmtekap.
(cal/
molJ<)
0
,
402
0,
8
31
18,0
50
x
C}tJ
/
kg
oe)
0,646
0,133
4185
8630
x
1::-,
--verda
mpingswarmte
(cal/mol)
4666
59
1
8
9
717
vl
ampunt
(oe)
335
152
oplo
sbaarhe
id
H
2
0
5
s
-
co
M
eOH
cl
s
Co
C/.)x
geschatte waarde
Dampdr
uk
vergelijking
van butaan-l,4-diol:
log P
8,26706
2705,69
T
Warmtekapaciteit
van de
katalysator:
M
olge
wi
cht van de
katalysator:
50,8.
Dichtheid van de
katalysator:
4000 kg/m 3 •
20,1
-93,9
118
170
228
90
,1
2
32
,
04
1,0
1
7
0,791
71,5
1,04
51,84
19,5
2470
2550
1
238
89
79
121
0
<%>
S
-Enk
e
le specifie
ke
gegevens,
benodigd b
ij
de dauwpuntsbepaling zijn
tesamen met
deze
berekenin
g
opgenomen
in appendix
11.
Op
de
vol
gende
p~gin
a
zullen in
het
kort
de veiligheidsaspekten
met
betre
kk
ing tot
de
versc
hi
llende chemik
a
liën
worden
behandeld
12
•
-17,
0
56,06
0,963
3
4
,5
6160
1
0060
s
Cd
-r'
l ..
[
.
[
:
r'
l .r '
I
Il.
[
~
l ,Ll
n
n
n
r
-
5
-Acetyleen:
zeer explosie-
en
br~
ndge
v~arIUk.
De explosiegrenz
e
n
wanneer gemengd met
lucht strekken
zich
uit
van 2,5
tot
82
volume-procent.
De r
e
latieve dichtheid
(t.o.v. lucht)
bedraagt
0,91, waardoor acetyleen zich
bovenin ruimten
ophoopt.
Bij
het ontwerp moet rekening gehouden worden met
het vermijden
van open
ruimten
met
acetyleen
als
wijde pijpen en
bochten
(opvullen
met
Raschig-ringen) en
het laa
g
houden
van
de
drQ~.
Zorg
moet worden gedragen
voor
ee
n
goede
ventilatie.
Hoge
koncentraties werken
narkotisch, terwijl typis
che
ver-ontreini
gi
ngen
als
H
2
S en
fosforwaterstof giftig zijn.
For
mal
dehyde:
irri terend
o
p
hui d en
sljjmYI
i
ezen.
Brandb'Hr, vooral
'.'Vanneer
de hoeveelheid toe
gevoegde
methanol (tegen
polymerisatie)
toeneemt.
Mac-waarde
la ppm.
Butyn-l,
4
-diol:
bekend is slechts de irriterende werking
en de
brandba
~rheid
.
Een
1.Tac-'Na8.rde werd ni
et
gevonden.
Butaan-l,4-diol:
de viskeuz
e
, kleurloz
e
vlo
e
istof tast de
huid
niet of
nauweljjk
s
arm. Het produkt
heeft een licht
anesteti
sche
werking.
Bij inwendig
g
ebruik vol
gt
na
bewusteloosheid
de
dood
bij
grotere hoeveelheden.
Het
produkt
ka
n
in glas of
roestvrij
st'3.al opgeslagen worden.
Propargylalkohol:
heeft eveneens een
irriterende
werking
op
hlrid en
slij
m
-vliezen.
Goed
ventileren is vereist.
Waterstof:
Bij eventueel kontakt
met
de huid direkt afspoelen met veel
water.
Het explosiegevaar is evenals bij
acetyleen zeer groot,
zij
het dat verwerking onder hoge druk
hier wel
mogelijk is.
Bij
waterstof/lucht mengsels zijn
de explosiegrenzen
.1
tot
I • I '
f
•
r
'
I.
t
,
r ';
[
,
II
r
~
I
[
:
r '
l
n
I
I •
I
[l
rJ
n
n
r
I6
-IV.
BeschrUving
van
het proces.
De bereiding
van
butaan-l,4-diol
wordt
beschreven
aan
de hand van
het bUgevoegde
processchema.
Het proces kan globaal opgesplitst worden
in vier
afzonderlijke
gr
oepen:
1)
De
bereiding
van butyn-l,4-diol uit formaldehyde (37,5
gewichts-procent in
water)
en acetyleen bU 6,5 atmosfeer en 115
°c
in
reaktor
Rl; de katalysator bestaat
uit
27,5
%
koperacetylide
op
geaktiveerde kool
.
De
reakties
die
optreden
zijn:
2)
butyn-l,4-diol
b)
HC=.CH
2
C-OH
propargylalkohol
butyn-l,4-diol
Reaktor Rl is
een
zogenaa
m
de "entr
ai
ned
bed" reaktor,
d.w.z. de
katalysator beweegt met de processtroom
mee.
De scheiding van het
gevormde
but~-1,4-diol
en de katalysator
in
de centrifuge
1.1
-
6 en vervolgens
de
zuivering van
de
ruwe
butyn--1,4-diol-oplossing in de destillatietorens
T
12 en
T
17,
waarbij
methanol
als
bUprodukt
wordt
g
ew
onnen (processtroom 31).
In reaktor R
22
wordt de butyn-l,4-diol-oplossin
g
gehydrogeneerd
tot butaan-l,
4-diol
bij een druk van 200 atmosfeer en
'gen
temperatuur
o
van 130 C volgens de reaktiever
ge
lijk
i
ng:
+
Als katalysator bU dit proces wordt een nikkel-koper-mangaan
legering op een silica-drager toegepast
13
.
4)
De aldus verkregen
but~an-l,4-diol-oplossing
wordt van
w~ter
en
andere
gevormde alkoholen ontdaan in de destillatietorens
T
26
tiro
T
30
In dit voorontwerp zUn de
eerste
drie stappen doorgerekend.
De
zuivering
van de butaan-l,4-diol-oplossing is volledigheidshalve in het
proces-schema opgenomen.
Het volledige proces zal nu aan de hand van het processchema meer
gedetailleerd
worden
beschreven.
• 1 r '
l
I[
,
I
'
[
:
[
:
[
~
[
:
[
:
[
:
n
n
n
n
n
n
1
-De te noemen
nummers korresponderen met
de
processtroomnummers
in
het
schema.
In mengtank M 8 worden de verse
katalysator
(9), de
formaldehyde-oplossing (10), de katalysatorstroom (17), verkregen
na
de scheiding
en de stromen (29) en
(2213.),
de recirkulatiestromen
welke komen
uit de
destillatietorens
T
12
en
T 17 en butyn-l,4-diol
bevatten, goed gemengd.
stroom (19) verlaat de
mengtank.
In verwarmer H 11
wordt
deze
stroom
o
opgewarmd van 25 tot 90
C
en door
pomp P 3 op een druk van
6,5
atmos-feer
gebracht
en
i~
de reaktor gevoerd.
Het
acetyleengas
(12) wordt door
een kompressor
eveneens op 6,5
atmos-feer
gebracht
en de reaktor ingevoerd. De HCHO/C
2
H
2
molverhouding
bedraagt
5.
Het acetyleengas wordt op
een
temperatuur van
25
oe ingevoerd.
De reaktiewarmte
wordt
afgevoerd door de overmaat acetyleengas
en de
slurry,
welke
de reaktor verlaat
b~
een
temperatuur
van
115 °c
(3).
De
verbl~ft~d
in de reaktor,
welke
14,8
m hoog
is en
een
diameter
heeft van 1,8
m,
bedraagt
4,4
uur.
o
De slurry
(3)
wordt
in koeler H 2 van 115 tot 25
C afgekoeld.
I~
de
hogedrukafscheider V
4
(6,5 atmosfeer) en
de lagedrukafscheider V 5
(1 atmosfeer) wordt het acetyleengas
gescheiden
van de slurry
en
gerecirkuleerd naar de reaktor
R
1 (1).
In centrifuge
M
6
wordt de katalysator gescheiden
van de vloeistof.
Een klein gedeelte (2,2
%)
van de katalysatorstroom (16)
wordt
afgetapt
(22) voor regeneratie. De rest gaat
terug
naar de
mengtank
(17).
De vloeistofstroom
(6) welke de centrifuge verlaat,
passeert
filter
F 10 om eventueel achtergebleven
~catalysatordeeltjes
af te vangen
en
wordt in verwarmer H 9 opgewarmd tot 126 °C.
In destillatietoren T 12, welke werkt onder
een
druk van
2,72
atmos-feer, wordt het ruwe butyn-l,4-diol
gedestilleerd.
Het bodemprodukt
(24) bevat water en butyn-l,4-diol
en
heeft
een
temperatuur van 136
°é.
o
Na afkoelen in
koeler
H 13 tot 25
C
en
drukaflaten
wordt een
klein
gedeelte teruggevoerd naar de mengtank
M
8. Het merendeel (33) gaat
naar de hydrogeneringssektie.
Het topprodukt (29), dat afgetapt wordt (refluxverhouding 5) wordt in
koeler H 16 afgekoeld van 122,5 tot
99,0
oe en dient als voeding voor
destillatietoren T 17.
,
,
l
.
[
:
[
:
[
:
[
~
II
n
n
n
n
n
n
8
-Het bodemprodukt bevat een weini
g
formaldehyde,
'Na
ter en propar
g
yl-alkohol en wordt, na afkoelen in koeler H
18
van 10
0
,1
tot
25
oe,
teruggevoerd
naar
mengtank M 8.
!!.y~ro
g
8Ee.Ei~g~se~t~
e~
De butyn-l,4-diol-oplossing (33)
wordt
in
v
e
rwarmer H 21
opgewarmd
van
25
tot
40
oe.
De oplossing
wordt op 200 atmosfeer gebracht en
stroomt
de vast-bed
reaktor
R
22
in. Deze
reaktor heeft
een
hoog
t
e
van
20 m en
een diameter van
0,8 m.
De
katalysator bestaat uit
nikkel,
k9per en mangaan
op
een silcadrager.
Waterstof
(41)
wordt
door
de drietrapskompressor met tussenkoeling e 25
op
200 atmosfeer gebracht.
De butyndiol/waterstof verhouding
bedra
ag
t
1
op
80.
De ontwikkelde
reaktiewarmte
w
ordt afgevoerd door de waterstof en
dient
voor het opwarmen van de
butyn-l,4-diol-oplossi~
g
van
40
tot
90 oe.
"IITa
drukaflaten
tot 1 atmosfeer wordt het
reaktiemengsel
(37)
afgekoeld
tot 25 oe en in de afscheider
V
24 wordt
de
r
u
we
butaa~-
,
-1,4-diol-oplossing
gescheiden van de waterstof, dat weer gerecirkuleerd
wordt.
Door.
de hydrogenering
i
s een ruw produ..1.ct on ts ta
'
pl van buta
<
m-l,
4
-di
ol,
dat
naast
veel
water,
nog zeer
kleine
hoeveelheden
methanol, propanol
en butanol bevat
en in nog mindere mate onverzqdigde
verbindingen,
aldehyden, cyclische verbindingen,
ethers, esters, acetalen
en
triolen
bevat.
De scheidingssektie,
welke
5
torens
bevat
(T
26 t/m
T
30), zal
alleen
kwalitatief
beschreven
worden.
In kolom
T
26 wordt
de oplossing (42)
gescheiden van
laag
kokende
alkoholen
(43).
In
kolom
T
27
w
0
rdt het
butaan-l,4-diol
gescheiden
van
water.
In
kolom
T
28
wordt
het butaan-l,4-dioJ
gescheiden
van
de
zeer
zware
frakties.
Het
topprodukt (47) hiervan
wordt geleid
naar kolom
T
29,
waar het
volledig bevrUd wordt van la
a
gkokende komponenten.
Stroom (49) bestaat uit
zuiver
butaan-l,4-diol.
Het
bodemprodukt
(48) van
kolom
T
28 wordt naar kolom
T
30 geleid.
Het topprodukt
hiervan
kan
gedeeltelUk
(of
geheel) worden
teruggevoerd
, 1
,
, ,
I
! [
I11:
r :
l:
r
l
Jn
o
n
n
r
3
,
1
4
, 1
5
, 16
v.
Proc
eskond
itie
s
9
-B~
de be
r
ekenin
g
v
a
n aard en di
Q
ensie van de a
pp
aratuur is slechts
gewerkt met experimentele
g
e
g
evens betreffende reakti esnelheden,
even
w
ich
ts
li
gg
ing en
der
g
el~ke?
Dit
w
as
enerz~ds noodzakel~k
door het ontbreken van voldoende
infor-matie in de literatuur,
terw~l
Toorts een goede opbouw der berekeningen
mogel~k
bleek op grond van de
prakt~kinformatie.
De meeste fysische gegevens (inklusief oplosbaarheden)
z~n
vermeld in
tabel
I
op pagina
4.
Er kunnen twee hoofdreakties onderscheiden worden, te weten de reaktie
waarb~
butyn-l,4-diol gevormd wordt
(I)
en de hydro
g
enering (11).
ad
I.
Vormingswarmte butyn-l,4-diol:
24 kcal/mo1
4
Reaktietemperatuur:
Druk: 6,5 atmosfeer
Samenstelling vld katalysator:
27,5
%
koperacetylid
e
.
op kool.
Omzettingsgraad berekend op acetyleen:
ca.
93
%.
Omzettingsgraad berekend op formald
e
hyde: ca.
99
%
(vorming van enig
propargylalkohol)
ad 11. Vormingswarmte butaan-l,4-diol:
65 kcal/mol
Reaktietemperatuur :
Druk:
200 atmosfeer
Samenstelling vld katalysator:
Ni 16,5
%,
Cu 5
%,
1m
0,7
%
op silica.
Omzettingsgraad berekend op butaan-l,4-diol:
vr~wel
100
%.
De
b~
de butyn-l,4-diol- en methanoldestillatie gebruikte
l :
[
:
[
:
[
:
rl
Il
J
n
[]
n
n
- 10
-VI. Berekening v
an
de
apparatuur~7,
18, 19
1.
Reaktor Rl
Het konstruktiemateriaal
voor de reaktor bestaat
uit
chroom-nikkelst~al.
Specifi~aties:
Cr:
Ni:
Co:
C
V
reaktor
T •
s
~
v
18
%
10
%
0,8
%
<0,0
8
%
toel!}a tbare
sp8."lning:
1060
bar
( ö' )
~
=
7900
kgjm
3
À
=
16
wjmOe
vol
umestroom
~
v
verblijf tijd
T
s
2,37.10- 3 m
3
js
15800 s
-3
3
dus
V
kt
=
15. 8 00,,2,37.10
=
37,5
m
rea or
Bij
een
hoogtejdiameterverhouding van 8 volgt
hieruit een
diameter
van 1,8
m
en
ee"l
hoogte van 14,8
m.
De
werkdruk
in de re'lktor bedraa
gt
6,5 atm.
Ui
t
veiligheidsov
erweg
in
gP"l
(vanw
eg
e het
acetyleen-ontploffingsgevaar) wordt
de r
eaktorwand
dikte
berekend voor drukken tot 100 atm:
wanddikte d
p.D.
l
De
wanddikte
bedraagt dus
100><1,8
2 "lJ60
p
=
inw. druk in bar
D.= inw. diameter (m)
l
~
= toelaa
tbare
spl'lnning (bar)
0,085
m.
')
De lege toren heeft een gewicht van
~"Di"h"d"
f
=
56.10'
kg.
2. Centrifuge M
6.
20
De centrifuge heeft tot doel het
afscheiden
van de
katalysator-deeltjes uit de processtroom. Gekozen is voor de zogenaamde
"solid-bowl " centrifuge, welke bes taa t ui teen
koni sche
bui tenwand ,
waar-binnen zich een (eveneens
konische) schroef
bevindt,
welke enkele
toeren per sekonde minder snel
draait
en de vaste stof
aan
de kleinste
diameterzijde afvoert.
Om de sedimentatietijd
kort
te houden is
een
vrij hoog toerental
I '
l .
I '
l.
[
~
[
:
[
:
[
~
,
1
lj
II
fl
n
n
n
I
IIJ
r-'
!
-
11
-De
afgescheiden
kata
lysator
word
t
nagewassen
me
t
0
,
46
kg/
s
water,
waardoor de totaal te
v
erwe
rke~
massastroom
3,57+ 0,46
=
4
,03
kg/
s
bedraagt. De
te
v
e
rwerk
e
n ho
e
veelheid vaste
stof bedraagt
0,464
kg/s
,
wat overeen komt
met
1,67
t
on/uu
r. Uit literatuur
gege
vens
21
blUkt
dat
voor de verwer
k
ing hiervan
een kleine
t
o
t
middelgrote
c
en
trifuge
vereist is.
De
afmetingen
zUn bepaald
aan
de hand van figuur
1.
De afstand x werd bepaald
aan
de hand
van
de eis
dat
de slurry-invo
er
op eenderde
aslengte
vanaf de
kleinste diameter moet geschieden.
"
I\,
,
I
II
\,i
\
-
-
- - -
-
-S
x
L
25
figuur
1
(BU een
gekozen
basis van
25
cm
vol~
voor de aslengte
30
cm en voor
de
smalste diameter
15
cm.
Voor de
maximum
sedimentatiet
U
d G
s
geldt:
G
s
-
""
0,422
s
w '" 210
rad{s
~
1,5·10-
kg/ms
d
=
0,05
m
3
Ys=
4000
kg/m
Het vermogen (v =
w.
r
210xO,125
26,2
mis):
n(
1
2
1
( 6 ) 2
-P
=
~m'2v
= 4,03'2"
2,2
=1,388
~#
(weerstanden verwaarloosd, alleen
ver~gen om massa te versnellen)
f
=3000
'.r..g/'2
r
2
=
0,125
m
r
! \
,
'r'
L.
r '\
r
'
l
[
:
l J[1
n
n
I
i12
-3.
DestillRtiekolom~en
T 12
en
T 17.
Bij de berekening van de kolom
zijn
de volgende
aannamen
gemaakt:
1
De druk over de kolom is
konstant
en
gelijk aan 2
,72
atmosfeer.
2
De molenstromen in de
kolom
zijn konstant.
1
De kolom werkt
~diabatisch.
De
be
paling
van het aantal theoretische schotels werd uitgevoerd
volgens de
McCabe-Thielekonstruktie
;
hierbij
werd
gebruik gemaakt
van
empirische gegevens
betreffend
e
voeding-, top- en
bodemsamen-stelling.
De
konstruktie is uitgevoerd voor het binaire systeem butyndiol/water.
Hierbij
is
dezelfde butyndiol/water
ver
houding
aangenomen
als
in het
vijf-kompon
enten mengsel
dat in werkelijkheid wordt
gedestilleerd.
De
voeding werd ingevoerd op het kookplmt. Voor de berekening van
di
t
kookpunt, benevens het kookpunt
v
an
het bodem
produkt
en het
dauwpun
t van het topprodukt wordt verwez
en
naar
append
ix
11.
Tabel
111
Samenstelling
van
voeding
,
bodem-
en
topprodukt.
komponent
voeding
bodem
top
x
~lI1(kg/s)
x
~
m
(kg/s)
x
y5 (kg/s)
m
butyndiol
0,1
29
1,4t1-58
0,145 1,4458
'-
-0""--propargylalkohol
0,003
0,0253
-
-
0,071
0,02C)3
formaldehyde
0,023
0,101
-
0,01
0,280
0,100
water
0,842
1,98
0,855
1,76
0,616
0
,22
methanol
0,004 0,0118
-
-
0,033
0,0118
totaal
1,0
3,564
1,0
3,194
1,0
0,377
0
Uit het
McCabe-Thiele diagram
blijkt
dat het aantal
theoretische
sc~tels
3
bedraagt; een optimale
voedin
ginvoer
(vo
edingssamen
stelling
gelijk aan
samenstelling
op de schotel) bevindt zich tussen
d
e
eerste
en tweed
e
sc
h
otel
van
ond8ren.
Bij een schotelrendement
van 65
%
bedraagt
het
aant~l
praktische schotels
dan
5.
Praktijkgegevens wijzen ui t, dat het aantal schotels 20
is).
De voedingsschotel bevindt
zich dan op
de zesde
pla
1l
tg
van boven.
Het
aanhouden
van de
p
raktUkgegevens
en het kiezen
van een
schotel-hoogte van 0,5
m
betekent
een kolomhoogte
van
10 m.
lil
~
ti
l
~
,
Ir
I
L
[
:
r'
l.
[
~
Ir:
l~
[1
n
n
n
n
-
13
-de gassnelheid u. Deze gassnelheid
is gebonden
aan een bepaalde waarde
in verband met het
"entrain
ment"
•
Voor deze
gassne
lheid
wordt in het algemeen 0,8
maal
u
genomen.
max
De
maximale
gassnelheid
is vervat in de volgende formule:
u
max
De
konstante C
is voor een oppervlaktespanning van 20 dyne ujt de
s
grafiek van Sounders en Brown
22
af
te lez
en
.
Voor de berekening van u
en de diameter zUn
gegevens
betreffende
max
de gas- en vloeistofstromen in de rektificerende en strippende sektie
benodigd.
GE
=
G
T
~
6 16,83
F
131,0
mOl
ls
101,0
molls
K
114,5
maIls
Tabel
IV
strom
e
n in de kolom
stroom
top
LT
mol enstroom
(molis)
184,5
massastroom
(kgis)
0,039
dichtheid
(kg/m
3
)
925
volumestroom
(m 3/ s )
. 1G
T
101,0
2,262
1,52
1,4
8
8
Met de gegevens uit
de tabel
en de grafiek volgt:
blUkt
u
voor
de rektificerende sektie 3,95
mis
max
strippende sektie
3,76
mis
te
bedra
gen
.
L
B
215,5
5
,
85
975
215,5 mOlls
184,5
molls
bode:n
G
B
101,0
2,262
1,68
1,348
C
z0,158; verder
s
en
voor de
Via de op
per
vlakte van
de
doorsnede
wordt de diameter gevonden:
A
rekt.
A
stro
2,262
v
1,52
0,8
3,95
0,472
2
m
~
2,262
2
= .2..
""
- - : ; - - ! . _ - - . . . , -
...
0, 448
m
v
1,68 0,8 3,76
--+
D
0,
Tl5
,
m
--+
D
Ten behoeve van een eenvoudi
ge
kolomkonstruktie wordt
de diameter over
de
gehele
lengte
ge
lUk
genomen
en
afgerond
op 0,8
m. Wel kan in
de
r '
l
_
[
:
[
~
r'
l ,
[
~
n
lJ
n
n
n
n
n
r
14
-In
figuur 2 wordt
de
si
t
ua
ti
e
tijd
ens
de destillatie weergegev
e
n
:
r
Qtop
vo
eding
1
Tr-
~
__
~~~
_..::.-.~~
L
J
r
t----+--o
figuur
2
Overeenkomstig
praktijkgegevens
is
voor
de
r~fluxverhouding
5 genomen 3 •
3.2.
Methanol
d
esti
llatie
ko
lom.
Bij de ber
eke
ning van deze
kolom zijn dezelfde
aan~amen
gemaakt
als
onder
3
.1.,
de
druk bedraagt
hier
echter 1
at!fiosfeer
.
Voor
berekenin
g
van kookpunten en het
dauwpunt wordt
v
erwezen
na'l.r
appendix
II.
Uit
het
McCabe-Thi
ele
blijkt dat
het aanta
l
theoretische schotels
10 b
edraagt
,
hetgeen
bij
een
schotelrendement
van
65
%
16
praktische
e
e
schotels
betekent;
vo
eding
tussen
3
en 4
schotel van onderen.
Ook hi er
zijn
de praktijk
gei:Sevens
3
aan
geh
oud
en
:
Aantal praktische schot
e
ls: 10
e
Voed
ing
sschotel:
3
vanaf
onderen
Bij een
schotelhoogte van 0,5 m
bedra
ag
t de
kolomhoogte 5 m.
Tabel
V
strom
en
in de kolom
stroom
top
bodem
LT
G
T
L
B
G
B
molenstroom
(
1:10
1/s)
3,70
4,07
20,05
4,07
m
assa
stroom
(kg/s)
0,12
0,13
°
,401
0,13
dichtheid
(kg/m
3
)
790
1,24
950
0,50
l J I '
r :
[
~
)1
II
L
j
n
[l
n
n
n
n
15
-Voor deze
kolom wordt
een refluxverhouding van 10 aangehouden.
Op de wlJ"ze zoals beschreven onder 3.1. worden u
, A
en
de diameter D
max
berekend.
u
(rekt.) -
4,18
mis
max
u
(str.)
max
6,63 mis
Arekt .- 0,0314
A t
:oe0,049
s r.
2
m
2
m
D
D
0,2
m
0,25
m
De diameter wordt afgerond op
0,25
m. In de
prakt~k
is deze diameter
ongunstig vanwege
problemen
b~
onderhoud etc.
In plaats van een kontinue destillatie kan de voeding
ook
in een tank
verzameld
worden, waardoor
de massastroom (en dus de
diameter
van de
kolom)
b~ "batch-gew~ze"
destillatie vergroot kan
worden.
4.
Mengtank
M
8
De mengtank heeft tot taak het
mengen
van de recirkulatiestroom met
de verse voeding en verse ka talysa tor,
terw~l
de ka talysa tor
gel~k
matig gesuspendeerd
moet
z~n.
Vaste deeltjes verhogen de viskositeit van het mengsel volgens de
relatie van Einstein
23 :
n
=
1'l1(1+2,5 1 )
't
susp.
!
verhouding v/h volume deelt jes/
totale volume vld suspensie
Voor de viskositeit van een mengsel geldt:
n
log
'l..
mengsel ..
2:.
i=l
x .. log
n
.
1
I I
0,464
dus
~Vkat
=
4000
Hieruit volgt:
T
0,116
2,37
0,049
en
'lSUSp.
n
""
1, 83 • 10
-3
kg m s
/
De afmeting van de katalysatordeeltjes wordt uniform verondersteld
en geacht 300 mesh te bedragen.
I '
r .
Il.
[
:
[
~
r '
r
~
L
! '
[
'l
r '1
.
r
~
[~
r
1
I l j[1
~
n
n
n
n
I
- -
16
-B~
deze afmeting
bl~kt
uit literatuurgegevens
19
T
=
4.D
T
=
di~meter
vld tank
D
di~meter
vld propeller
Wanneer we
vo
or
de inhoud
v~n
de tank
1
50
liter
kiezen
en voor de
hoogte
anderh~lf
ma~l
de diameter
nemen,bl~kt
de hoogte 0,75
m
te zijn.
D
is dan 0,125 m.
-
-
- -
-
---H
0,75
m
0,5
0-T
=
0,5
m
Indien de
tank
gevuld
is
met 100 liter suspensie geldt voor de
verbl~ftijd:
-
L.
v
T=
v
2,37.10
0,1
3
42 s.
Het
toerental
N
dient zo
hoo
g
te
z~n
dat
van
een
tu
rbulen
t
e
stromi~g
sprake
is, Re dient dan groter
d
an
10
4
te
z~n24.
4
Voor
een
toerental
v~n
1000
o:nw/minuut
bedraagt
Re
2.10
.
2
(Re
=
D
·~:·f
'1
Het vermog
en
,
dat voor het mengen
gel
everd
moet worden bedraagt:
3 5
p
=
C • •
N
.D
Voor
een
turbineroerder
met
-
6
vlakke
bl~den
- D
=
0,2'1 T
-vier keerschotten met
breedte
O,l.T
-
vloeistofhoo
gte
T
-turbine~oogte
boven bodem is D
-
Re)..lO
geldt: C
= 6
Hieruit volgt voor het
vermogen:
~
..
.
.-_.
..
..
-.~--3
l _ I ' I I
L
_
f :
[
:
[
:
[î·
n
11
II
[1
n
n
n
t
l
,
17
-5.
Voedingspomp P
3·
B~
de berekening van het pompvermogen van de voedingspomp is de
arbejd,
benodigd voor de opvoerhoogte van
de
voeding, eveneens meeberekend.
Verder is
aangenomen dat
de stromingsweerstand verwaqrloosbaar
klein
is ten opzichte van de drukverhoging.
Het
effektieve pOlllpvermogen?
is
gel~k aan
~
• ,6p
+
~
.O.g.h
e
v
v )
Het totale pomprendement
'1
tot is samengesteld
ui
t het hydrolisch
rendement
Y'l hydr' het volumetrisch rendement
'1.
vol
en
het
mechanisch
rendemen t
'1
mech·
~m
3,26
kg/s
f
1370
kg/m
3
.t.p
6,5.10 5
:-'T/m
2
'1.tot
=
0,58
kg/ms
Het
werkel~ke
pompvermogen bedraagt Pas
Invullen van bovenstaande
gegevens
levert:
P
as
5
26
5,5.10
3
26
8
3,
.
+ ,
•
9,
1.14,8
1370
x
u,58
1370
x
O,58
P
e
rttot
=
1,78 KW
Door hydrolische en volumetrische verliezen stijgt de vloeistof temp:
P
e
~
.
~
.
m
1 -
tt
hydr
o
0,115 c.
I '
!
l .[
:
n
n
[1
n
n
18
-6.
Warmtewis
s
elaars.
In het
processchema zijn twaalf warmtewisselaars
opgenomen
:
4 koelers
H2 ,
~
3'
H18 en
H23
4
verwarme
rs
R
9 ,
Hll ,
H16
en
H
21
2 totale
kondensors H15 en
H20
2
reboilers
H
14
en
H19
Het koelwater werd aan de pij
pzjj
de inge
voerd, stoom
aA.n
de
mantelzijde.
Dit
koelwater, invoertemperatuur 20
oe,
werd
opgewa
r
md
tot
max
imA.al
40
oe. Bij temp
eraturen
welke
ho
g
er li
ggen
bestaat kans
op
kalkafzetting.
De
warmtewisselaars zijn
uitgevoerd
met
vaste
pijpenplA.ten.
De pijpen hebben
een afmeting
van 25 bij
2,5
mm
,
de
st
eek
bedrA.A.g
t
32
mmo
Voor de verwarmer Hll
werd
de
wa
rmte-overdra
chts
k
oäfficient nauwk
euri
g
bepaald
door
berekening, de
ze is opgenom
en in
appendix
I.
o
De gebruikte
stoom had een
tem
peratuur van
185
e bij
een
druk van 10
atm.
Deze stoom
koelde af
tot 180 oe,
waarbij
de
kondensatiewarmte
vrijkwam
.
Tabel VI
Overzicht
warmtewisselaars
wisselaar
kapaciteit
(K
W
)
water
(kg/s)
stoom
(kg/s)
water/stoom
(106kg/
j8 ::
H
2
1830,3
21,9
0,63
H13
2201,0
26,4
0,76
H
18
111,9
1,34
0,04
H23
3642,8
43,3
1,25
H9
2134,3
,.1,06
30,5
Hll
714,6
0,35
10,2
H
1Lt
4532,4
2,26
65,0
H19
144,6
0,07
2,07
H
21
226,6
0,11
3,24
H15
4320,0
51,6
1,49
H20
143,0
1,71
0,05
De totaal benodigde hoeveelheid koelwater (inklusief koelwater voor de
compressor C
25
) bedraagt 6,05.10
6
kg/jaar.
De totaal benodigde hoeveelheid stoom bedraagt 111,0.10
3
ton/jaar.
I
I
( '
