I I -u ·v I I
1
(.;
I
I
IV IV I I vVakgroep Chemische Procestechnologie
Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwero
van
~.o •• n9. t:.~!It~.çl.L ... mX~
...
~ t.v.4.· •.. I)X ... ~ Q ~.~.? ~ ~U ... .J.: .. ~<?1;·illll?P.-' ... mX~.~F.':l.~.· ... ~X.· ... ~.Q~?~Q?l
...
..
.
.
.
.
...
..
onderwerp:
adres: Da Costastraat 6-II, 1053 ZB Amsterdam opdrachtdatum: 15-6-92 Prof. Tulpstraat 12-11, 1018 HA Amsterdam
versiagdatum: 23-9-92
T
U
Delft
Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkundesamenvatting Inleiding
1. Het Houdry Catadieen proces 1.1 Algemene beschrijving 1.2 Reaktor
2. Uitgangspunten voor het ontwerp stoomproces 2.1 Exogene gegevens
2.2 Endogene gegevens
3. Beschrijving van het stoomproces 3.1 Procesbeschrijving
3.2 Opstarten van de fabriek 4. Procescondities 4.1 Reactiesectie 4.2 Koelsectie 4.3 Absorptiesectie 4.4 Destillatiesectie 5. Motivering apparaatkeuze 5.1 Inleiding 5.2 Apparaatkeuze en karakteristieken 6. Economische analyses
6.1 Kosten, een vereenvoudigd model 6.2 Economische analyse stoomproces
6.3 Economische analyse Houdry Catadieen proces
7. Economische vergelijking Houdry Catadieen proces en het 1 3 5 5 6 8 8 9 10 10 11 12 12 12 13 14 15 15 15 20 20 24 28 alternatief stoomproces 30 Conclusie 33 Symbolenlijst 34 Literatuur 37 Bijlagen
1. Fysische en thermodynamische gegevens 2. Veiligheidsaspecten chemicaliën
3. Apparaatberekeningen in Mathcad versie 2.5 4. Stroomjcomponentenstaat
5. Massa- en warmtebalans
'-...-)
SAMENVATTING
De conventionele produktie van 1,3-butadieen uit 1-buteen vindt voornamelijk plaats door middel van het Houdry Cata-dieen proces (craig & Dufallo, 1979). Een alternatief voor dit proces is het stoomproces. Voor het stoomproces wordt hier een fabrieksvoorontwerp gemaakt en het wordt vanuit economische gezichtpunt vergeleken met het Houdry Catadieen proces.
Het Houdry Catadieen proces is een heterogeen katalytisch proces, dat onder lage druk bedreven wordt. Een aantal paral-lel geschakelde fixed bed reaktoren zijn nodig omdat de
katalysator deactiveert door cokevorming. Dit leidt tot
operationele onstabiliteit en vereist grote investeringen. De selektiviteit van het proces is gemiddeld 18%. Bij een
produktiecapaciteit van 50000 ton butadieen per jaar is de pay-out time 6 jaar en de return on investment 16.7%.
Het stoomproces wordt ontworpen voor de produktie van 3122 ton butadieen per jaar. In dit proces wordt stoom aan vers en gerecycled 1-buteen toegevoegd en in de reaktor
geleid. De adiabatische tubular reaktor werkt onder 2 bar en een temperatuur van 922 K; een conversie van 45% wordt be-haald (aangenomen selectiviteit 100%). In een koeltoren bij 2 bar wordt de stoom afgescheiden door direct contact met
koelolie. De koelolie en het water worden in een decanter gescheiden en de koelolie wordt gerecirculeerd.
De volgende zuiveringsstappen zijn nagenoeg identiek aan het Houdry Catadieen proces. Het gasvormige reaktiemengsel wordt gecomprimeerd van 2 tot 8 bar en in een absorptietoren ge-leid. Het butadieen lost 100% selektief op in een solvent, acetonitrile, en wordt vervolgens in een destillatietoren van de solvent gescheiden. Het buteen verlaat de top van de
absorptiekolom en wordt gerecirculeerd naar de reaktor. De solvent wordt eveneens gerecycled naar de absorptiekolom.
Op basis van dit fabrieksvoorontwerp is een economische analyse gemaakt, waaruit blijkt dat de pay-out time 14 jaar en de return on investment 7.3% is.
Om de processen te kunnen vergelijken zijn de economische gegevens van dit proces met verhoudingswaarden omgerekend naar een produktiecapaciteit van 50000 ton per jaar. In dat geval bedraagt de pay-out time 4.4 jaar en de return on
investment 22.8%.
Op basis van deze waarden lijkt het stoomproces een goed alternatief voor het Houdry Catadieen proces bij een produk-tiecapaciteit van 50000 ton per jaar.
De volgende aandachtspunten kunnen in een vervolgonder-zoek nader worden onderzocht:
Selektiviteit van de produktie van butadieen in het stoomproces;
- De vorming van bijprodukten, dimerisatie en ont-leding;
De selektiviteit van het absorptieproces;
- Economische en operationele schaaleffekten van opscha-ling van de produktiecapaciteit van het stoomproces naar 50000 ton/jaar:
De opbouw van de loonkosten van het Houdry Catadieen proces en van het stoomproces:
- De opbouw van de kosten per ton produkt van het Houdry Catadieen proces.
... '
Inleidinq
Butadieen wordt gebruikt als monomeer in de produktie van synthetische rubbers en plastics. Daarnaast is butadieen een grondstof voor de produktie van diverse chemicaliën.
Per jaar wordt 5709 kton butadieen geproduceerd bij het kraken van nafta en gasolie naar ethyleen. Dit vormt 80% van de jaarproduktie van butadieen (Ullmann, 1972-1984).
In toenemende mate worden LPG (mengsel ethaan, propaan en butaan) en NLG (mengsel propaan en butaan) als grondstof gebruikt. Hierdoor zal in de toekomst de dehydrogenatie van butaan en buteen tot butadieen weer een belangrijke plaats
innemen (Ullmann, 1974-1984).
De conventionele produktie van 1,3-butadieen uit buteen vindt voornamelijk plaats door middel van het Houdry
Catadieen proces (Craig & Dufallo, 1979; Ullmann, 1974-1984). Een alternatief voor dit proces is het stoomproces. In dit rapport wordt voor het stoomproces een fabrieksvoorontwerp gemaakt, en het stoomproces wordt vanuit economisch gezichts-punt vergeleken met het Houdry Catadieen proces.
Het Houdry Catadieen proces is een heterogeen katalytisch proces onder lage druk (10-25 kPa). Een aantal nadelen van dit proces zijn:
- deactivering van de katalysator, waardoor gebruik ge-maakt moet worden van een aantal identieke fixed bed reaktoren. Dit leidt tot operationele moeilijkheden en vereist grote investeringen;
- lage conversie.
De dehydrogenatie reakties van butaan en buteen zijn endo-therm. De conversie kan verhoogd worden door onder vacuum te werken of stoom toe te voegen (Froment & Bischoff, 1990; Ullmann, 1984-1985). Uit literatuur is gebleken dat als oververhitte stoom wordt toegevoegd de reaktiesnelheid hoog is en geen overige katalysatoren hoeven te worden toegevoegd
4
een proces met toevoegen van stoom een goed alternatief zijn. De opwerkingsstappen van het reaktieprodukt zijn bijna iden-tiek aan die van het Houdry Catadieen proces.
In hoofstuk 1 van dit rapport wordt het Houdry proces
beschreven. In hoofstuk 2 tjm 5 wordt een fabrieksvoorontwerp van het alternatieve stoomproces gepresenteerd. Vervolgens worden in hoofdstuk 6 de economische analyses van beide processen weergegeven. In hoofdstuk 7 worden de twee proces-sen op basis van de economische gegevens vergeleken.
5 1. Het Houdry Catadieen proces 1.1 Algemene beschrijving
Het Houdry Catadieen proces kan zowel butaan als buteen
omzetten in butadieen. In dit rapport wordt aangenomen dat 1-buteen als grondstof gebruikt wordt (Dumez & Froment, 1976; Krishna, 1991). In een aantal identieke parallel geschakelde adiabatisch fixed bed reactoren wordt het 1-buteen dehydroge-natie proces uitgevoerd. Minimaal drie reaktors moeten worden gebruikt (Craig & Duffallo 1979).
Het is een heterogeen katalytisch proces en wordt bij 600 °c en onder gereduceerde druk uitgevoerd.
In het proces treden neven reakties op, waarbij zowel 1-buteen als butadieen worden omgezet in coke, dat leidt tot deactivatie van de katalysator. Na een cycle-tijd van 7 à 15 minuten moet de katalysator worden geregenereerd. De coke wordt afgebrand, waarbij voldoende warmte vrijkomt om de adiabatische dehydrogenatie uit te voeren. De gemiddelde
conversie van but een naar butadieen is 18.5% (Hornaday, 1961; Ullmann, 1974-1984). In figuur 1 is een flowsheet weergegeven van het proces.
FHIH mo 0----:::-1, !HWE .:..:F1:...:ow~_-;::----.l. 1_ 1 U ~ ~ PUWI01l0M CHAIGE HWH 111 ~'----.J>---, ~r lll ~ HEAlH !HOOI I[GEMEUIOI \ '--,-- - '
i
,
-
---'
~ II'1IH HW tOIlEI OE110'IN1/[1 ~IOOUO 10 M;llfl(llION FUH 61\ II
IOH· EIOOIer
IIr "'
'''''
' -I FL'll GIS t IElOOI PViGE O\!ENCH TOWft ~ aUENCH Oll '·saGE COW'HlIOI-'
Vers en gerecycled buteen worden opgewarmd tot de reaktietem-peratuur en de in bedrijf zijnde reaktor ingeleid. Het reak-tor produkt wordt gekoeld in een quench-reak-toren door direct contact met circulerende olie. Het afgekoelde gas wordt
gecomprimeerd naar 7 tot 14 bar. Een deel van het gas conden-seert en wordt naar de depropanizer geleid. Het ongeconden-seerde gas wordt in een absorptietoren geleid, waarin buta-dieen selectief oplost in een solvent. Het niet-geabsorbeerde buteen wordt naar de reaktor gerecycled. In de stripperkolom wordt het butadieen van de solvent afgescheiden en naar de depropanizer geleid (Craig & Duffallo 1979).
1.2 Reaktor
In tabel 1 zijn industriele reaktor-karakteristieken, de bedrijfsomstandigheden en de kenmerken van de cr203-A1203 katalysator weergegeven (Dumez & Forment, 1979; Forment & Bischoff, 1990).
In figuur 2 is de conversie van buteen naar butadieen van een reaktor bij bovenstaande omstandigheden als funktie van de tijd gesimuleerd. Hierin is de invloed van de deactivering van de katalysator duidelijk zichtbaar (Dumez & Forment,
-'
Tabel 1: Karakteristieken van industriele reaktor van de
dehydrogenatie van l-buteen (Dumez & Forment, 1979) lengte
oppervlakte
diameter van katalysator dichtheid van katalysator dichtheid van inert
specifiek opp. katalysator specifiek opp. van inert totale druk
inlaat druk van buteen molaire flowsnelheid voedingstemperatuur bedtemperatuur
effectief porievolume kat. effectief gemiddelde porie-diameter turtuositeit ~(Çlo) (;'0
"1
.~ ,,
, ~ ~o 010 0.8 [m] 1 [m2 ] 0.0046 [m] 400 [kg kat./m3 reaktor] 900 [kg kat./m3 reaktor] 274 [l/m] 411 [l/m] 0.25 [bar] 0.25 [bar] 15 [krool/m2.h] 600 COC] 600 COC] 0.155 [cm3/g) 10000 [0 A] 5 C !S 0..5
Figuur 2: Conversie 1-buteen naar butadieen als funktie van tijd (Dumez & Froment, 1976; Froment
2. uitgangspunten voor het ontwerp stoomproces 2.1 Exogene gegevens
capaciteit
In de fabriek wordt 3122 ton 1,3-butadieen per jaar geprodu-ceerd bij 100% beschikbaarheid. Het aantal bedrijfsuren be-draagt 8000 per jaar.
Specificaties grondstoffen
De voedingsstroom van de fabriek is l-buteen. Verondersteld is dat deze stroom geleverd wordt door een voorafgaand proces en geheel zuiver is.
specificatie eindprodukt
Het geproduceerde butadieen bevat 0.1% buteen. In de praktijk worden aan 1,3-butadieen de volgende kwaliteitseisen gesteld bij 'poly-cis-reinheid' (Ullman, 1972-1984):
1,3-butadieen ~ 99.5 wt % propyn ~ 30 w-ppm vinylacetyleen ~ 10 w-ppm L acetyleen ~ 50 w-ppm allene ~ 50 w-ppm oplosmiddel ~ 10 w-ppm dimeren ~ 500 w-ppm
carbonylen (als acetaldehyde) ~ 50 w-ppm
peroxide (als Hr02) ~ 5 w-ppm
zwavel (als H2S ~ 2 w-ppm
Afvalstromen
De fabriek produceert een lage concentratie koolwaterstoffen-houdende afvalwaterstroom van 26000 ton per jaar. Na koeling tot 40°C kan deze stroom verwerkt worden in een afvalwater-zuiveringsinstallatie.
2.2 Endoqene qeqevens
Fysische constanten
De fysische en thermodynamische eigenschappen van de in het proces voorkomende stoffen zijn in bijlage 1 opgenomen.
Veiligheid
Acetonitrile, l-buteen en 1,3-butadieen zijn alledrie zeer brandgevaarlijk en explosief. Gesloten apparatuur en explo-sieveilige electrische apparatuur en verlichting moeten worden gebruikt. Bij verpompen van buteen en butadieen als vloeistof moet de apparatuur geaard worden. Voor verdere eigenschappen van de gebruikte chemicaliën (koelolie uitge-zonderd) wordt verwezen naar bijlage 2 .
:)T!X>H '1t(~t.! R, 61 rb ril Ps
rr~~
8""-
H
Reo'\o<. ~~.,;~~ b.J"" I _~I~.P'lI'6~~~~(~~ "<JI"",",_
Vot ... "",,,,",\> ftb\\OoPi"ot'\o.L"t H1 Kcelot'\Ç\ {c""ohe iQ~::f~
VOO(uv/WW"... goom<Qt..,c~ Po ~" ~lleoe<:'OC~
1\o..I\oi.". cl~~ Wd« Mq (J.",I,~ sc:he-c:br \.oJa~i~"I"e~ Cia
f
\~\\-'.J
:3F \
Ou.,)S hQe\ ~,oom ~(oce:')--
--J
I
I
G
®~oonl
.
r~l rt,~(1<
T"
I
I ;r ..I=~:
I H_, I ,-v 1:::- ,---~ 'r I Predul<\,e\Xl" butadlew. uil 'oul~en
R Molamed' F;,bI.~CTi -Pi' co
'J P->",~"", -ftÇ1lom'ooll
"192-()P\lClnQ" ot I::. uI 00 e>e-" 05l1~ O~",y.""'Of>o\,>c'oul:,~b:1I
I
I
1
I
3 Beschrijving van het stoomproces 3.1 procesbeschrijving
Het proces zal worden besproken aan de hand van de flowsheet die is weergegeven in figuur 3. Het proces is te verdelen in vier secties: een reactie-, koel-, absorptie- en destillatie-sectie.
In bijlage 4 is een stroom/componenten staat opgenomen. In bijlage 5 is een blokschema weergegeven met een massa- en warmtebalans.
Reactiesectie
In de reactor (Rl) worden I-buteen en stoom (beide deels vers én gerecycled) ingevoerd. In de adiabatische reactor vindt dehydrogenatie van I-buteen plaats onder een druk van 2 bar. De temperatuur daalt ten gevolge van de endotherme reactie van 922 K tot 859 K. De produktstroom wordt door middel van een vacuumpomp (G2) naar de koeltoren (T4) gepompt en voorge-koeld door de water/stoom-recycle (M3) tot 536 K.
Koelsectie
In de koeltoren (T4) wordt de produktstroom gekoeld door direct contact met koelolie van 435 K. De druk in de koelto-ren is 2 bar. Het water dat in de produktstroom aanwezig is, condenseert en verlaat met de koelolie de bodem van de kolom bij 350 K. In een oliewaterscheider (M9) wordt de koelolie uit dit mengsel afgescheiden en vervolgens gekoeld met koel-water (H7) alvorens teruggeleid te worden in de koeltoren. Het resterende water wordt deels gespuid (70%) en het overige deel wordt voorverwarmd door de reaktorproduktstroom (M3) en als stroom gerecycled naar de voedingsstroom van de reactor. uit de top van de koeltoren komt een 1-buteen/1,3-butadieen mengsel, dat in een één-traps compressor (C10) gecomprimeerd wordt van 2 naar 8 bar. Het gecomprimeerde gas wordt door middel van koeling op 350 K gehouden.
Absorptiesectie
Het l-buteen/1,3-butadieen mengsel wordt in de absorptiekolom in direct contact gebracht met acetonitrile van 435 K. De kolom werkt bij 8 bar.
Het topprodukt van de absorptiekolom bestaat voornamelijk uit dampvormig buteen en verlaat de kolom met 608 K. Het buteen wordt geëxpandeerd van 8 tot 2 bar in C6 en koelt hierbij af tot 576 K. Vervolgens wordt het aan de voedingsstroom van de reaktor toegevoegd.
Het 1,3-butadieen lost in de acetonitrile op en verlaat de kolom met de solvent als bodemprodukt met een temperatuur van 421 K. Het mengsel wordt naar de destillatiekolom gepompt
(P12) .
Destillatiesectie
De destillatiesectie bestaat uit een destillatietoren, reboi-Ier, condensor, pompen en een opvangvat. De druk is 9,5 bar. Het butadieen wordt in de destillatiekolom (T14) uit de
solvent verwijderd en verlaat de kolom als topprodukt met 360 K. Het wordt in de condensor (HlS) vloeibaar gemaakt (temp. 350 K), waarna een deel als reflux de destillatiekolom weer wordt ingepompt. Het overige deel wordt naar een opvangvat
(M19) gepompt. De solvent verlaat de kolom als bodemprodukt met een temperatuur van 435 K. Een deel wordt in de reboiler
(HI7) verdampt en terug in de destillatiekolom geleid. Het overig deel wordt naar de absorptiekolom (Tll) teruggepompt en aldus gerecycled.
3.2 opstarten van de fabriek
Voor het in bedrijf nemen van de fabriek moet de apparatuur gepurged worden met stikstof om alle lucht te verwijderen.
4 Procescondities 4.1 aeactiesectie
Kinetiek
De dehydrogenatie van buteen kan worden beschreven als een irreversibele reaktie en de reaktiesnelheid als eerste orde in buteen (Fogler, 1990: Krishna, 1990: Dumez & Froment, 1976). De afhankelijkheid van de reaktiesnelheidsconstante als funktie van de temperatuur is als volgt:
Temperatuur (K) 922 Reactiesnelqeidsconstante 11000 (mol/h.m .bar) 900 877 855 4900 2040 850 832 320
De reaktie is endotherm en de reaktieenthalpie is 110.2 kJ/mol.
Condities
Volgens het principe van Le Chate1ier kan de opbrengst van butadieen verhoogd worden door verlaging van de partiële druk van de reaktieprodukten. Dit betekent dat de conversie ver-hoogd kan worden door in vacuum te werken of door toevoegen van stoom. In ons geval is voor het toevoegen van stoom gekozen, omdat stoom makkelijk af te scheiden is van de
reactie-produkten door condensatie. Daarnaast levert stoom de benodigde warmte voor de endotherme dehydrogenatie-reaktie. Hierdoor kan bij een begindruk van 2 bar en een begintem-peratuur van 922 K de reactie worden uitgevoerd, waarbij de reaktiesnelheidsconstante groot is.
4.2 Koelsectie
Koeltoren
De reaktorprodukten worden gekoeld met koelolie van 289 K, zodat top- en bodemprodukt 350 K worden. De koeltoren wordt bedreven bij een druk van 2 bar, aangezien de stoom dan al
'--'.
bij 350 K condenseert en op deze wijze van het buteenjbuta-dieen kan worden afgescheiden. Een hogere druk is niet wense-lijk, omdat een compressor met zeer grote capaciteit benodigd zou zijn. Als koelmiddel wordt Sea-oil 40 gebruikt (Fair, 1972; Kreith en Boehm, 1988) dat een grote warmtecapaciteit heeft. Het gebruik van olie heeft als bijkomend voordeel dat het gecondenseerde water en koelmiddel gemakkelijk gescheiden kunnen worden.
Bij het gebruik van koelmiddel wordt ervan uitgegaan dat de olie verrijkt is met zuurstof, zodat waterstof, dat vrijkomt bij de reactie, tot water wordt omgezet.
4.3 Absorptiesectie
Absorptietoren
Door het geringe kookpuntverschil tussen buteen en butadieen is het scheiden van deze componenten door eenvoudige destil-latie niet mogelijk. Als eerste stap wordt het butadieen selectief opgelost in een solvent, acetonitrile. De Bunsen-oplosbaarheidscoëfficient van butadieen in acetonitrile is geschat op 41.5 [nm3/m3 .bar] bij I bar en 40°C (Ullmann, 1972-1984; Dack, 1975: Black, 1959). De geschatte selectivi-teit van 1.3-butadieen ten opzichte van 1-buteen in acetoni-trile is 10 (Ullmann 1972-1984: Dack, 1975: Black, 1959). De Bunsencoëfficient is afhankelijk van de temperatuur en druk. De Bunsencoëfficient kan worden omgerekend naar de verdelingscoëfficient m (relatie y
=
rnx) (Friend & Adler, 1957: Black, 1959: Dack, 1975).De inlaattemperaturen van de solvent en het l-buteenjbuta-dieenmengsel, welke in samenhang met de koeltoren en de destillatiekolom zijn vastgelegd, zijn resp. 435 K en 350 K. Als de druk in de absorptiekolom 8 bar is, zal de verdelings-coëfficient van 1,3-butadieen 1.77 bedragen en de selectivi-teit voor butadieen groot zijn.
4.4 Deatillatiesectie
Destillatiekolom
De inlaattemperatuur van het 1,J-butadieenjsolventmengsel is in samenhang met de absorptiekolom vastgesteld op 421 K. Bij een druk van 9 bar zal 1,J-butadieen bij 350 K condenseren. De relatieve vluchtigheid van 1,J-butadieen ten opzichte van acetonitrile is bij 360 K op grond van x-y figuren (Black, 1959) en de wetten van Dalton en Raoult berekend en is 2.385.
5 Koti vering apparaatkeuze 5.1 Inleiding
In dit hoofdstuk worden de motivering van de apparaatkeuze en de belangrijkste ontwerpkarakteristieken van de apparaten weergegeven. In bijlage 3 zijn de berekeningen weergegeven. In bijlage 6 zijn de apparatenlijsten opgenomen.
5.2 Apparaatkeuze en karakteristieken
Reactor Rl (Bijlage 3, blz. 1)
Een tubular reactor is gekozen, aangezien terugmenging een negatief effect op de conversie heeft. Bij adiabatische
operatie is voor een conversie van 45.1% een volume van 34 m3 nodig. De verblijf tijd is 11.25 s. Bij een diameter van 2.5 m volgt een lengte van 5.5 m en een gassnelheid van 1 mis. De
inlaattemperatuur is 922 K en de uitlaattemperatuur is 859 K.
Vacuumpomp G2 (Bijlage 3, blz. 3)
De vacuumpomp moet 81 molls naar de koeltoren pompen. Het rendement is 70%.
Voor de berekening, het aantal trappen en het vermogen is gebruik gemaakt van Levert, 1986. Berekend is dat een een-trapsvacuumpomp met een adiabatisch vermogen van 348 kW
benodigd is. Het verpompte gas warmt op van 859 K naar 925 K.
Koeltoren T4 (Bijlage 3, blz. 5)
Als koeling voor de reaktorprodukten is een direct-contact warmtewisselaar gekozen, een zgn. platenkoeltoren. Deze toren
is geschikt voor het sterk afkoelen van de reaktorprodukten en het afscheiden van stoom. De in- en uitlaattemperatuur van koelolie zijn resp. 289.15 K en 350 K. Met behulp van een warmtebalans is uitgerekend dat 40.5 kgls olie nodig is om de reaktorprodukten van 536 K naar 350 K te koelen. De kolom-hoogte is berekend met Fair, 1972; Kreith en Boehm, 1988 en
bedraagt 10,8 m bij een plaatafstand van 0.55 m. De kolomdia-meter is 1.2 m, berekend met Lowenstein, 1961.
Recyclepomp P5 (Bijlage 3, blz. 9)
De recyclepomp moet 0.54 kg/s verpompen. Het rendement is 55%. Het vermogen is 0.93 kW, berekend met Levert, 1986. Expansie C6 (Bijlage 3, blz. 13)
Het buteen uit de top van de absorptiekolom wordt geëxpan-deerd van 8 naar 2 bar. Het expanderen levert 9.6 kW en het gas koelt hierbij af van 608 K naar 576 K (Coulson
&
Richard-son, Vol. 6, 1989).warmtewisselaar koeling koelolie H7 (Bijlage 3, blz. 8)
Om koelolie te koelen van 350 K naar 289 K met koelwater dat opwarmt van 285 K naar 310 K, is met behulp van een warmteba-lans berekend dat 59 kg/s koelwater nodig is.
Recyclepomp koelmiddel P8 (Bijlage 3, blz. 8)
Bij een pomprendement van 70% is berekend dat een centri-fugaalpomp met een vermogen van 12 kW nodig is (Levert, 1986) •
Olie/waterscheider M9 (Bijlage 3, blz. 9)
Een decanter is ontworpen met behulp van Coulson & Richard-son, vol.6, 1989. De aangenomen druppeldiameter van water in olie is 200*10- 5 m. De diameter en lengte van de decanter zijn resp. 3.4 en 5 m.
Compressor voor absorptiekolom C10 (Bijlage 3, blz. 10) De compressor moet 4.17 mol/s buteen/butadieenmengsel van 2 naar 8 bar comprimeren. Dit vindt plaats in één trap. Bij een efficiëntie van 70% is een vermogen van 28 kW nodig. De
temperatuur neemt door compressie toe van 350 K tot 428 K. Om het mengsel te koelen naar 350 K is met een warmtebalans
J
berekend, dat 11.5 kgjs water nodig is, dat van 325 K naar 325.8 K opwarmt. Deze hoeveelheid water zal worden betrokken van de koeling van de koelolie (H7).
Absorptie- en destillatiekolom T11 en T14 (Bijlage 3, blz. 16)
Een massabalans is over de absorptie- en destillatiekolom opgesteld, waarbij de stromennummering in figuur 3 is weerge-geven. Hierbij zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd: - de verhouding solventhoeveelheid ten opzichte van de
voeding van de absorptiekolom is 1.5; 95% butadieenrecovery;
stroom 3 is solventvrij;
de molfraktie butadieen in het destillaat is 0.99;
- het bodemprodukt van de destillatiekolom bevat een mol-fraktie van 0.009 butadieen.
Hieruit zijn de samenstellingen en hoeveelheden van alle stromen berekend. V i '"
J
l~ T11 I(ti)
I
TIL!
\ i ~ \ ," I I II
!~
~
~
SoIVB'\t
rec:1
c1eFiguur 3: Schematische weergave stroomnummering absorptie- en destillatiekolom
,--'
Absorptiekolom (Tll), (Bijlage 3, blz. 19)
Met behulp van de massabalans en de evenwichtsvergelijking (Ye
=
m.x) is de gewenste hoeveelheid opgelost butadieen in de solvent en de hiermee in evenwicht zijnde hoeveelheid butadieen in de dampfase berekend. In bijlage 3, blz. 18 is dit grafisch weergegeven. Met behulp van Coulson and Richard-son, vol.2, 1989 is de hoogte van de kolom berekend, namelijk 8.7 m. De kolomdiameter wordt 1.5 m. Met behulp van eenwarmtebalans en gekozen temperatuur van het bodemprodukt is de temperatuur van het topprodukt berekend. Deze is 608 K.
Pomp voor stroom 4 (P12) (Bijlage 3, blz. 22)
Een centrifugaalpomp met een rendement van 60% en een vermo-gen van 0.5 kW is nodig om het solventj1,3-butadieenmengsel naar de destillatiekolom te pompen.
Pomp voor stroom 2 (P13l (Bijlage 3, blz. 29)
Een centrifugaalpomp met een rendement van 60% en een vermo-gen van 0.2 kW is nodig om stroom 2 van de destillatiekolom naar de absorptiekolom te pompen.
Destillatiekolom (T14l (Bijlage 3, blz. 23)
De refluxratio is berekend met de relatieve vluchtigheid van butadieen in acetonitrile en bedraagt 5.5. Hiermee is de top-werklijn bepaald, Het minimaal aantal schotels is 10. Het totaal aantal schotels is 18 (Fortuin 1990, Perry, 1984). De q-lijn van de voeding en het snijpunt van de q-lijn met de top-werklijn is berekend. Grafisch is de boil-upratio be-paald. Deze is 1.56. De diameter van de kolom is berekend met behulp van Coulson and Richardson, vol.6, 1989. De diameter van de top van de kolom is 0.85 m. De diameter van de bodem van de kolom is 0.4 m. De kolomhoogte is het aantal schotels vermengvuldigd met de schotelafstand. Bij een schotelafstand van 0.25 m wordt de hoogte 5.5 m.
,-'
. ..}
De temperaturen van het top- en bodemprodukt zijn berekend met een warmtebalans en bedragen resp. 360 K en 435 K.
Condensor destillatiekolom (HlS) (Bijlage 3, blz. 30)
Er is gekozen voor een horizontale condensor met condensatie in de shell en twee tubepasses. In de condensor wordt het topprodukt van de destillatiekolom afgekoeld en gecondenseerd tot 350 K met behulp van water. De specificaties van de
condensor zijn in bijlage 6 weergegeven. Refluxpomp (P16) (Bijlage 3, blz. 36)
Een centrifugaalpomp met een rendement van 55% en een vermo-gen van 0.2 kW is nodig om de refluxstroom naar de destilla-tietoren te pompen.
Reboiler Hl7 (Bijlage 3, blz. 28)
Een vertical-thermosyphon reboiler is geselecteerd uit econo-misch oogpunt en omdat de voeding een lage viscositeit heeft.
In de reboiler wordt een deel van de solvent verwarmd en ver-dampt en terug in de destillatiekolom geleid. De heat-load, die overgedragen moet worden is 386 kW. Dit wordt geleverd door 0.188 kg/s stoom, dat condenseert.
Pompprodukt (P18) (Bijlage 3, blz. 36)
Een centrifugaalpomp met een rendement van 55% en een vermo-gen van 0.5 kW is nodig om het destillaat van de destillatie-kolom naar de opslagtank te pompen.
opslagtank (M19) (Bijlage 3, blz. 35)
Een drukopslagtank met een diameter van 0.12 m en een lengte van 1 m is nodig om het destillaat uit de destillatiekolom op te vangen. Hierbij is uitgegaan van een verblijf tijd van 900 s. Daarnaast is de lengte van de opslagtank 2.5 maal zo groot als de diameter.
'-.
~.
6 Economische analyses
6.1 Kosten, een vereenvoudigd model
De totale kosten ~ kunnen in een model als volgt weergegeven worden:
waarin:
KF
=
de algemene kosten [f]; KA=
de fabricage kosten [f].(1)
De fabricage kosten zijn onder te verdelen in indirecte kosten ook wel overhead kosten genoemd (Ka), kosten die
afhankelijk zijn van het produktievolume (Kp), kosten die van de investering afhangen (Kr) en KL de semi-variabele kosten waaronder loon valt:
(2)
Daar goede schattingen voor al deze kosten moeilijk te geven zijn, zolang het om FVO gaat, wordt het model als volgt
vereenvoudigd: alle kosten exclusief de volumegebonden kosten worden betrokken op de investeringen en het produktieloon. Hier betekent het dat KA en Ka met behulp van een verdeel-sleutel onder worden gebracht in Kr en KL:
~
=
Kp + K'r + K'L (3 )Hierin bestaat Kp uit kp, de kosten per ton, en de gepro-duceerde hoeveelheid p vermenigvuldigd met een factor a voor de niet berekende produktie afhankelijke kosten:
'.J
De kosten per ton worden als volgt berekend:
waarin:
vi = kosten per ton grond- of hulpstof i qi = hoeveelheid i nodig per ton produkt.
De investeringsgebonden kosten worden voorgesteld als een fractie f van de inversteringen I:
KIl
=
f*
I(5)
(6)
De grootte van f hangt onder andere af van de afschrijvingen en het onderhoud.
Alle kosten die niet in Kp of in K'I onder gebracht kunnen worden bij de loonafhankelijke kosten K'L opgeteld. Deze
kosten worden weergegeven door de loonkosten L te vermenig-vuldigen met de factor d:
KIL
=
d*
L (7)Het totale model ziet er nu als volgt uit:
~
=
(a*
Kp*
P) + (f*
I) + (d*
L) (8)Voor de factoren a, d, en f werden de waarden genomen van het 'beste model' (Mondfoort, 1991, deel II, tabel 2.12; a=1.13, f=O.13 en d=2.5). De waarde voor f is exclusief rente plus afschrijving, deze moeten apart berekend worden.
Berekening van de investeringen
Het totale te investeren bedrag volgt uit:
Hierin is I B de investering in proces eenheden (battery li-mits), IH de investering in hulpapparatuur, IW het werkkapi-taal en I L de kosten voor licenties. De som van I B en IH wordt vaak het fixed kapitaal IF genoemd. Als de kosten voor
licenties niet meegenomen worden vereenvoudigt het model tot: (10) Voor de grootte van het werkkapitaal is 6% van IF genomen
(Montfoort, 1991, deel 11, fig 3.1). Voor de berekening van de investeringen in 'fixed capital' is gebruik gemaakt van 2 verschillende methoden: de methode van Taylor en de methode van Wilson.
De methode van Taylor:
De investering volgens Taylor (Montfoort, 1991, deel 11) volgt uit de volgende formule:
If
=
(45*
f*
pO.39*
Cl) / 300 waarin:If
=
investeringen in kC;p
=
capaciteit in kton per jaar;Cl
=
index uit engineering & process Economics; f=
costliness index:( 11)
f
=
~(1.3)Si (12)Hierin is N het aantal proces stappen en 1.3Si een produkt van correctiefactoren.
Deze correctiefactoren volgen uit (Montfoort, 1991, deel 11, tabel 3.22), hierin worden waarden van S gevonden voor grootheden als druk, temperatuur, relatieve doorzet en op-slagtijd. Voor elke processtap worden deze waarden opgeteld en de costliness index berekend, de som van deze factoren is de totale costliness factor.
J
,-.'
De investering volgens Wilson:
Bij de methoden van Wilson (Montfoort, 1991, deel II) wordt uitgegaan van het aantal apparaten N in plaats van het aantal processtappen. De investering volgt uit:
I
=
f*
N*
(AUC)*
Fp*
Ft*
Fm (13)Hierin is f de investeringsfactor die afhangt van het soort proces en van de Average ~nit çost. Deze AUC is weer afhanke-lijk van de jaardoorzet van een 'average unit' in tonnen:
AUC
=
21. (Jaardoorzet) 0.675 (14)De factoren Fp , Fm' en Ft corrigeren voor respectievelijk druk materiaal en temperatuur (Montfoort, 1991, deel II, fig.
3.26 en 3.27). Ook bij wilson worden de investeringen gevon-den in Britse pongevon-den (1971).
Loonkosten
De arbeidskosten zijn berekend met de Wesselrelatie (Mont-foort, 1990, deel II).
manuren/ton produkt
=
K*
aantal stappen / (kapaciteit perdag)0.76 (15)
K
=
1. 7Economische beoordeling Return on investment
Er zijn een aantal methoden om te beoordelen of een project economisch al dan niet haalbaar is. Een eenvoudige (stati-sche) methode is de zgn. Return On Investment (ROl), hierbij wordt de jaarlijkse winst gedeeld door de totale investering:
. ../
. ~ .
De basis van de berekening is vollast, er wordt dus geen rekening gehouden met een lagere produktie tijdens het op-starten van de fabriek, het gevonden percentage is dus een optimistische schatting.
pay-out time
De Pay-out time wordt gedefinieerd als het minimaal aantal jaren dat nodig is om de oorspronkelijke investering terug te verdienen
Pay-out time
=
IF / W6.2 Economische analyse stoomproces
De prijzen
Grondstoffen
(17)
Butadieen wordt vervaardigd uit buteen en stoom. De prijs van buteen is geschat op f100,- per ton. stoom onder hoge druk kost f35,- per ton. De gecondenseerde stoom uit de koeltoren wordt gedeeltelijk opgewarmd met de reaktorprodukten en
gerecycled.
Hulpstoffen
Koelwater kost fO,10 m3 en elektriciteit kost fO.13 per kWh bij een afname van 10 6 kWh per jaar (Montfoort 1991, deel II). Het koelwater wordt gerecycled. stoom kost f35 per ton. De prijs van de solvent, acetonitrile, is geschat op f1000,-per ton. Koelolie zal naar schatting f300,- f1000,-per ton kosten. Beide stoffen worden gerecycled, waarbij een verblijf tijd van 1 uur is aangenomen en 10% ververst wordt per jaar .
Het produkt
_.'
De kosten
Kosten per ton produkt
In tabel 2 staan vi en qi voor de benodigde grond- en hulp-stoffen.
Tabel 2: Berekening van ~
i L qi vi qi· Vi [l/ton] [f/l] Ir/tonI elektriciteit kWh 1246 0.13 162 koelwater m3 596 0.1 59.6 stoom ton 10 35 350 buteen ton 1.03 100 103 acetonitrile ton 7.5*10-5 1000 0.075 koelolie ton 4.68*10-3 300 1.4 Kp 194
De variabele kosten bedragen 676
*
3122=
Mf 2.1De investeringen Methode van Taylor:
In tabel 3 zijn de correctiefactoren weergegeven, die bepaald
zijn aan de hand van tabel 3.22 in (Montfoort, 1990, deel
Tabel 3: Correctiefactoren
stromenisecties doorzet MofC reaktie P-T anders totaal Cl
buteen recycle 0 0 0 0 0 0 1 buteen 0 0 2 0 0 2 1.7 stoom 4 0 0 0 0 4 2.8 acetonitrile 3.5 0 0 0 0 3.5 2.2 stoomrecycle 3 0 0 0 0 3 2.2 PROCESS reactor 5 1 0 1 0 6 4.8 koeltoren 15 1 0 1 0 16 66 absorptie 3 1 0 0 0 4 2.8 dest. 2 5 1 0 0 0 6 4.8 f 88.3 IF
=
(45*
f*
pO.39*
Cl) \ 300 [kr] (18) waarin: f=
88.3; P=
3.122 [kton/jr butadieen]; Cl=
310; IF=
6400[kr]; neem aan 1r
=
f3.2 dan lp=
Mf 20.5De investering volgens Wilson:
De gemiddelde doorzet van een unit is 35 ton/jr. Met behulp van formule 20 volgt voor de kosten van een Average Unit
233.9 kro Met een totaal van 10 apparaten (exclusief pompen)
komt de investering op 2339 kr ~ Mf 7.49
De totale investeringen
Middeling van de investeringen gevonden met beide methodes leidt tot Mf 14. Ten slotte moet nog gecorrigeerd worden voor de lokatie in Europa. De lokatiefactor voor UK t.o.v. USA bedraagt 1.03 en die voor NL t.o.v. USA 1.10 (tab. 3.68,
Montfoort, 1990, deel II), er moet dus vermenigvuldigd worden met een factor 1.06.
De investering IF bedraagt dan Mf1S. Het werkkapitaal IW bedraagt dan Mf 0.9 ende totale investeringen Mf 15.9.
Loonkosten
De arbeidskosten zijn berekend met de Wesselrelatie.
manuren/ton produkt
=
K*
aantal stappen / (kapaciteit per dag)0.76manuren/ton produkt
=
(1.7*
4)/(8.4)°·76=
1.4 Het aantal werknemers is (1.4*
8.4*
5)/24=
2De loonkosten zijn dan 2
*
350000 = f700000 perjaar.Inkomsten
De inkomsten bedragen Mf 3.9 per jaar.
Return on investment
In tabel 4 is (Montfoort, 1990, deel II) de berekening van de return on investment weergegeven.
Tabel 4: Berekening ROl voor belasting en afschrijving
Berekening ROl voor belasting en afschrijving Vaste investeringen Werkkapitaal bedrag [Mf] 15 0.9
...
:!'.~.!:~~.~.
....
~.~~='~.!:.~E.~.~9.~.~...
..
...
..
...
~.?.~..
?. ...
....
...
.
Inkomsten 3.9 Variabele kosten Loonkosten Inkomsten - kosten ROl voor belasting en afschrijving2.1 0.7 1.1 7.3%
De return on investment voor belasting bedraagt 7.3%. Pay-out time
In tabel 5 is de berekening van de pay-out time weergegeven. Tabel 5: Berekening pay-out time
Berekening pay-out time
I
Bedrag [Mf]Vaste investeringen 15
Inkomsten 3.9
Variabele kosten 2.1
Loon kosten 0.7
Inkomsten - kosten 1.1
De pay-out time is 14 jaar.
6.3 Economische analyse Houdry catadieen proces
In tabel 6 zijn de economische literatuurgegevens opgenomen van een plant met een capaciteit van 50000 ton butadieen per
jaar in 1978 (Craig & Duffallo 1979). Hierbij is aangenomen dat 1$ ~
f3,-Tabel 6: Economische literatuurgegevens plant capaciteit van 50000 ton per jaar (Craig & Duffallo 1979)
Kosten per ton produkt Totale investeringen Loonkosten 903 [fjton] 99 [Mf] 2 [Mf] De inkomsten bedragen 1270
*
50000=
Mf 63.5Return on investment (ROl)
In tabel 7 is de berekening van de return on investment (ROl) weergegeven.
Tabel 7: Berekening ROl voor belasting en afschrijvingen
Totale investeringen Inkomsten 99 [Mf] 63.5 [Mf] Variabele kosten 45.2 [Mf] loonkosten 2 [Mf] Inkomsten-kosten 16.3 [Mf] ...
-
... .ROl voor belastingen en afschrijving
16.5 [%]
De return on investment voor belasting bedraagt 16.5%
Pay-out time
7 Economische vergelijking Houdry Catadieen proces en het alternatief stoomproces
In het voorgaande hoofstuk zijn. de economische analyses van het Houdry Catadieen proces en het alternatieve stoom proces weergegeven. Om deze gegevens te kunnen vergelijken moeten deze gebaseerd zijn op eenzelfde produktiecapaciteit in verband met schaaleffekten.
uit literatuur is gebleken dat een verdubbeling van de capa-citeit van het Catadieen proces leidt tot een toename van ca. 70% van de investeringen. De kosten per ton produkt nemen af met ongeveer 10% (craig & Dufallo, 1979). De loonkosten per ton produkt worden constant verondersteld. De verhoudings-waarden gelden voor een produktie-range van 26500 tot 120000 ton per jaar.
Gezien deze brede range is aangenomen dat dezelfde verhou-dingswaarden kunnen worden toegepast bij het neerschalen van het Houdry proces van een produktiecapaciteit van 50000 ton per jaar naar 3100 ton per jaar. Daarnaast is het alternatief stoomproces opgeschaald van 3100 ton per jaar naar 50000 ton produktiecapaciteit per jaar. De uitkomsten moeten met de nodige voorzichtigheid geinterpreteerd worden en kunnen slechts dienen als indicatie.
In tabel 8 zijn de resultaten van deze berekeningen weer-gegeven.
Tabel 8: (Geextrapoleerde) Economische gegevens van het Houdry Catadieen proces en het alternatief stoomproces bij een produktiecapaciteit van 50000 en 3100 ton per jaar
capaciteit 50000 50000 3100 3100
[ton/jr]
Proces Houdry stoom Houdry stoom
Kosten per 903 443.5 1376 676 produkt [f/ton] Variabele 45*10 6 22*10 6 4.3*10 6 2.1*10 6 kosten [f/jr] Loonkosten 2*10 6 11. 2*10 6 0.13*10 3 700*10 3 [f/jr] Investerin- 99*10 6 133*10 6 11. 9*10 6 16*10 6 gen [Mf]
De volgende items vallen op:
De kosten per ton produkt van het stoomproces zijn lager dan van het Houdry proces. In het Houdry proces vormen "fixed charges" iets meer dan de helft van de kosten per ton pro-dukt. Nader onderzocht zou moeten worden waaruit deze kosten bestaan.
De loonkosten van het stoomproces Z1Jn veel groter dan die van Houdry proces. Dit is verbazingwekkend aangezien het Houdry proces minder stationair en dus waarschijnlijk bewer-kelijker is. Nader onderzocht moet worden hoe dit verschil kan ontstaan.
De investeringen in het Houdry proces zijn lager dan in het stoomproces. Dit is aannemelijk aangezien door het toevoegen van stoom een veel grotere reaktor en koeltoren met bijbeho-rende utilities nodig zijn.
Aangezien het economische plaatje van het Houdry proces bij een capaciteit van 3100 ton per jaar geen reële gegevens levert (kosten hoger dan opbrengsten), zullen de return on
investment en pay-out time van beide processen bij een capa-citeit van 50000 ton per jaar worden vergeleken.
Tabel 9: (Geextrapoleerde) ROl en pay-out time van het Houdry en stoom proces bij capaciteit van 50000 ton per jaar
Houdry stoom Return on investment voor belas- 16.7 22.8
tingen en afschrijving [%]
Pay-out time [jr] 6 4.4
In bovenstaande tabel zijn de return on investment en pay-out time van beide processen weergegeven. Op basis van deze
waarden lijkt het stoomproces een bruikbaar alternatief. Hierbij moet echter benadrukt worden dat nader onderzocht moet worden of de gehanteerde verhoudingswaarden bij opscha-ling van het stoomproces toegepast mogen worden.
- '
conclusie
Het fabrieksvoorontwerp en de economische analyse van het alternatief stoomproces zijn gebaseerd op 3122 ton 1,3-buta-dieen per jaar. Hierbij zijn een pay-out time van 14 jaar en een return on investment van 7.3% berekend.
Met hulp van verhoudingswaarden zijn de pay-out time en return on investment berekend, indien het proces 50000 ton per jaar 1,3-butadieen produceert. Deze bedragen resp. 4.4
jaar en 22.8%.
De pay-out time en return on investment van het Houdry Catadieen proces bij een capaciteit van 50000 ton per jaar
zijn res. 6 jaar en 16.7% (Craig & Dufallo, 1979). Op grond van deze waarden lijkt het stoomproces een goed alternatief voor het Houdry Catadieen proces.
De volgende aandachtspunten zouden in een vervolg onder-zoek nader kunnen worden onderzocht.
- Schaaleffekten van opschaling van het stoomproces van de produktiecapaciteit van butadieen van 3100 ton per jaar naar 50000 ton op het fabrieksvoorontwerp en de economi-sche analyse;
- De opbouw van de loonkosten van het Houdry Catadieen proces en het stoomproces;
- De opbouw van de kosten per ton produkt van het Houdry Catadieen proces.
Daarnaast verdienen de volgende punten in het fabrieksvoor-ontwerp de nodige aandacht:
- Selectiviteit van de produktie van butadieen in het stoomproces;
- De vorming van bijprodukten, dimerisatie en ontleding van koolwaterstoffen;
'-./' Symbolen lijst 1.3Si A Ab bu ceil
Cr
g~
d Db Db Dc Dd DelH DelPs DelPzw DelT DelTlm Ds Ep f F Flm G h Hf Hfs hi K'L=
==
==
= ==
=
= = ==
==
= ==
= = ==
=
=
=
=
=
=
=
=
=
==
=
=
==
=
= KIl, K22 =~~
=
=
= ==
==
=
produkt correc~ie-faktor oppervlakte, moppervlakte van kolom voor de bodem, m boil-up ratio
Mathcad afrondings funktie (software funktie) index uit Engineering & Process Economics capaciteit, kg/s of m3/s
soortelijke warmte, J/mol.K diameter, m
diameter van kolom voor de bodem, m shell-side diameter, m kolom diameter, m druppeldiameter, m reaktiewarmte, J/mol shell-side drukval, N/m2 zuigleidingsweerstand, bar temperatuur-verschil, K logaritmisch temperatuur-verschil, K bundel diameter, m polytropische efficientie costliness index flux, kg/m2.s
damp-vloeistof flow faktor gas-flux, kg/m2.s
hoogte verschil, m enthalpy, J/mol
enthalpy op kookpunt, J/mol
warmte overdrachtscoefficient in tUbe-side, J/m2 -.s.K
hoogte van een transfer unit investering, f
investering in proceseenheden, f investering, L of f
fixed kapitaal, f
investering in hulpapparatuur, f kosten voor licentie, f
werkkapitaal
tube-side friktie faktor
reaktiesnelheidsconstante, mol/h.m3 .bar afhankelijke kosten, f constante fabricagekosten, f warmtegeleidingscoefficient, J/m.s.K warmtegeleidingscoefficient, J/m.s.K algemene kosten, f
kosten afhankelijk van investering, f
semi-variabele kosten, f
overheadkosten of indirecte kosten, f produktiekosten, f
L L lb
~
t~
KW N no NOG nu P Ph Pr Pr pt Pt Q qi Qwm R R Re Rmin T TO tl t2 Tb tkwl tkw2 Tr Ua ud urn Uo uv Vi Viso vm V v~rans W x X y Z ==
==
=
=
= = ==
=
=
==
=
=
=
=
=
=
=
==
=
==
=
=
=
==
==
=
=
=
=
==
=
=
=
=
=
=
=
= = lengte, m vloeistof-flux, kgjm2 .s baffel afstand, mvloeistof flow in bodem van kolom, moljs vloeistof flow in top van kolom, moljs loonkosten, f
plaat afstand, m molaire massa, kgjmol aantal proces stappen
aantal trappen in het geval van compressor aantal transfer units
aantal tubes hoeveelheid (geproduceerde) drukhoogte, bar gereduceerde druk Prandtle getal pitch afstand, m totale druk, bar warmte, Jjs
hoeveelheid i nodig per ton produkt, f overgedragen warmte, Jjs reflux-ratio gasconstante, Jjmol.K Reynold's getal minimale reflux-ratio temperatuur, K begin temperatuur, K inlaat temperatuur, K uitlaat temperatuur, K kooktemperatuur, K
inlaat temperatuur van koelwater, K uitlaat temperatuur van koelwater, K gereduceerde temperatuur
warmte overdrachtscoefficient, Jjs.K
bezinksnelheid, mjs
flooding damp snelheid voor de bodem, mj s 2 overall warmteoverdrachtscoefficient, Jjm .s.K maximale dampsnelheid, mjs
kosten per ton grond- of hulpstof i, f
volume in het geval van isotherme operatie, m3 damp flow in bodem van kolom, moljs
damp flow in top van kolom, moljs transportsnelheid, mjs
vermogen, Jjs
molfraktie conversie
mol fraktie in dampfase kolom hoogte, m
-./, superscripts en subscripts
o
1,2,3,4 5 A adia b B g H I in L m meano
re s S uit w w=
=
==
=
==
= = = = ==
= = = = Afkortingen FVO RIO AUC NPSH ==
==
initiele waarde stroom 1,2,3 en 4 stroom 5 1,3-butadieen adiabatisch buis/tube 1-buteen gas waterstof stoom ingaande stroom vloeistof voeding, mengsel gemiddelde olie of koelmiddel recovery shell solvent (acetonitrile) uitgaande stroom actueel water fabrieks voorontwerp return on investment average unit costnett positive suction he ad
Griekse symbolen
~m - flawsnelheid, mal/s
~mt - totale flawsnelheid, mal/s 80
=
initiele molverhaudingE
=
expansie factor~ = rendement
~mg = massa flow, kg/s
Xm
=
latente warmte, J/mol ~=
viscisiteit, Pa.s Iv - flowsnelheid, mA3/s~I
Literatuur
Bannister, R.R. & E. Buck, 1969, "Butadiene recovery via extractive distillation", Chem. Eng. Prog., v~ 65, no. 9, 65-68
Black, C., 1959, "Multicomponent vapor-liquid equilibria from binary data", Ind. and Eng. Chem., vol. 51, no. 2, 211-218 Coulson, J.M., & J.F. Richardson, 1991, Chemical Engineering, vol. 6, design, pergamon Press
Coulson, J.M. & J.F. Richardson, 1989, Chemical engineering, vol. 2, third edition, pergamon Press
Craig, R.G. & J.M. Dufallo, 1979, "The catadiene process". Chem. Eng. Prog. 75, no. 2, 62-65
Dack, R.M., 1975, Solutions and solubilities, part 7, vol.
111. Willey John & Sons
Dumez, F.J. & G.F. Froment, 1976, "Dehydrogenation of 1-butene in to butadiene. Kinetics, catalyst, cooking, and reactor design". Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. vol. 15, no. 2, 291-301
Fair, J.R., 1972, "Process heat transfer by direct
fluid-phase contact", Chem.Eng.Prog.Sym.Ser. no. 118, vol. 68, 1-11 Felder, R.M. & R.W. Rousseau, 1986, Elementary principles of chemica 1 processes, Second edition, Willey John & Sons
Fogler, H.S., 1986, Elements of chemical reactor engineering, edition 1. Prentice-Hall international
Fortuin, J.M.H., 1991, Industriële processtappen, Collegedik-taat 1,2, UvA
Friend, L & S.B. Adler, 1957, "Liquid-vapor equilibrium
constants from solubility data", Chem.Eng.Prog., vol. 53, no.
9, 452-458
Froment, G.F. & K.B. Bischoff, 1990, Chemical reactor analy-sis and design, Wiley John and Sons
Hornaday, G.F. & F.M. Ferell & G.A. Milis, 1961, "Manifacture of mono- and diolefins from paraffins by catalystic dehydro-genation", Adv. Petr. Chem. Ref., vol. IV, 10
Kreith, F. & R.F. Boehm, 1988, Direct-contact heat transfer, Hemisphere Publishing corporation
Krishna, R., 1991, Chemische reactorkunde I en 11, Colle-gedictaat UvA
Levert, L., 1986, Diktaat Chemische Techniek, Deel 1,2, HTS
"A"
Loos, Th.W. & H.J. van der Kooi, 1990, Diktaat Toegepaste thermodynamica en fasenleer,TUD
Lowenstein, J.G., 1961, "sizing distillation columns", Ind. Eng. Chem. 53, ( Oct. )
McKelvey, K.K. & M. Brooke, 1959, The industrial cooling tower, Elsevier PUblishing Company
Montfoort, A.G., 1988, De chemische fabriek, Collegediktaat deel lA, 1B en 2, TUD
Moore, W.J., 1983, Basic physical chemistry, Prentice-Hall international editions
Perry, R.H. & C.H. Chilton, 1984, Chemical engineers hand-book, 5th edition
Ullmann Encyclopädie der technischen chemie, 1972-1984, 4e dr., Band 9, 1-18,
Ullmann's Encyclopedia of industrial chemistry, 1985-19 •• , 5th complete revised edition, vol. A4, 431-446
De vijf in het proces voorkomende stoffen zijn
1-buteen, 1,3-butadieen, acetonitrile, koelolie en water. De fysische en thermodynamische gegevens zijn verzameld uit Coulson and Richardson, 1989 ; Felder & Rousseau, 1986; Loos & Van der Kooi, 1990; Ullmann, 1985-19 .• ; Ullmann, 1974-1984; Perry, 1984.
Tabel 1.1: Thermodynamische gegevens buteen (B), 1,3-buta-dieen (A), acetronitrile (S)
M CPL Tc Pc Vc Ze w PL J.l.
(~
9
1(;,
rJt)
((}~.J(.)
(K.) (alm)(
C:/rnol
)
(-)(
-)
(~/rr
,3
) (
r6
.s)
1-buteen .056 59.42 419.6 39.7 240 .277 .187 595 1,3- .054 54.50 425.0 42.7 221 .270 .195 621 butad-leen acetoni- .041 72.39 548 47.7 173 .184 .321 782 trile water .018 752.5 1000 .001Tabel 1-2: Kookpunt en verdampingswarmte afhankelijk van druk
TB
J
I7l
TB )rn TB ) rn TB)
m
(K)
t
J
/lTloi
)
O~)
(J)f/VJ)
,
(kj(J
)f1tlI
j\y.
l
la/rml)
1-buteen 267 21930 287 25828 338 30418
1,3-butad- 269 22483 289 25967 339 30465 346 31144
leen
acetonitrile 355 31932
-
-
441 39677 450 40489-CP = A + B.T + C.T2 + D.T3 [J/mol.K] A
I
BI
c
I
0 1-buteen -2.994 3.532*10-1 -1.982*10-4 4.463*10-8 1,3-butadieen -1.687 3.41*10-1 -2.34*10"" 6.334*10~ water 32.243 1.932*10-3 1.055*10-5 -3.596*10-9 waterstof 27.143 9.273*10-3 -1.38*10-5 7.645*10-9Tabel 1-4: Thermodynamische gegevens koelmiddel
~ viscositeit [pa.s~ f dichtheid [kg/m ] kf warmtegeleidingscoefficient[J/m_s_K] CP soortelijkewarmte [J/kg.K] 27*10- 3 960 0.13 2500
CAS·nr: (75058( .th.annltrU m.thylcyenlde FYSISCHE EIGENSCHAPPEN J(OOkpurll ~ c a l Sm.u~1 ·C -45 Vlampul'll,'C 2
lelfonlbtllf\d,ng ~ltlUn~., ., ... , .• C !I2$
A.w' ... dlGl' ... ,Jt ... "'I.,-11 0.'
R"I"I"I(lamj)<JocMnlodllu.;nt_11 , . AI""'''' Oocnln.<o D4 20 ~ C ~6fl .... r u".gd
a.mpfIVChlln*no,.,jk.ChI_1J 1.04
Oamp$p,,>I'W\O mD"'b,,20~C 91
OplOsC ••. /"hlodonwI'" VOIIloJog
fllplO".grlnl .. n volum."'-onklthl 3-16 5001'11"'" Ol".o.ng pS/m 6.10' A"II1I"1 moI,eu.,lmaU.. '1,1 Log P ocl.noU""a'l' - 0.3 BrulOIOtmul. DIRECTE GEVAREN/ VERSCHUNSELEN
Ih.nd: u.r branoge .... .n. ....
EApIo"': "-mp mil IUC;hl ... plc.s •• 1
C,H,N
CH)C .. N
ACETONITRIL
BELANGRUKE GEGEVENS
Itl..fUALOlE VLOEISTOf, UH Of OI!:UA TI HIUU(EHH(N
0. dlmp ,n,ngl zoCfl goe<:l m.1 IUCI'I" tNlkk'''I~_' VOff1'\ll'lg van '''~'''''''' me"9,.ls 8<, vuliln
an~n ol ".rw..n.: .... ge." plrlluCht als OtI,I'J" LoepaUI'" O. stOl on!I ... ", tl<, .... ,h.u"19 onder
~ "an b,at\db.,. In go"ooe datnp,ln A •• g • ." "',hIQ mi' Itl,ka OILMSaI .. mlCld ... "
HydrOk .... " 11'\ ... ch ol luur .... '.r
-_
ono.r ...
_-
OflTWlg .. an U'!'UUUl In .mil...,.."... 11: .. llO&arl---
-MAC-wUid. 40 ppm 10 mg/m'
wltt •• .n opt'I.me, 0. SIOI"an .... o'.,.n OPV"nom.1'I In ,...1 .,t:n •• m dOOI' on.d.mong w." a. almp
~ IH ~.n 000r .ns" ... n wUi O' ~t~lof E.n .. oor a.. g'IOOO~td " .... oeltlk. conc:.nt'I' .. ltldekoc:hl kanOOOf ... oampong ... ." a . I ' .Iot bij U 20 'C\lriJ .n ... OfCl.n b.,.~ bll\lem ... '-tI
noo WMh,
ow.cte ge'YO",": 0. a'of _01(1 .,,,I,,.nl op'" 09'n 4. nutd.n de .d.f'fV\aI"·\QsOtg ... n D.
lIot bl;1«nI'TIef1 de C'l.OIIft'11\1J1nO 0. ilO' ken .,., .... , ... 1'1 op ,...1 t:.nl,.a.t UfllJW.lllseI meI .1.
ge~convul"." coma BlOOII,.Utt\911.an Dil ht.lO. conc.n"lloe, 101 b'VN,lIloos".tdle!dln.n
de dotd 101 g....a'8 r..boen Oe uttwerk'ng 10111 ... f1' . . "d ,nl,.d.n N . . Oloclhl.1IIng QI\~
me,J,SCl\e Obs."""al . . . "'"
o.-.oJg.ft b_ I.ngdurig., ....,.., •• ld.II' ... blootll.lllng: Hem . . ld'''J'' ot laog<lurIQ coru,CI "'en O\Ilfge\lO.!igroetd ...,.ooq ... op d. hutd
PREVENTIE ( BLUSSTOFFEN/EERSTE HULP
ge.n ~n w\JUl'. OI.n \IOOk.n.n ... 1 rOlo..n I poede, .1c00000Io.lI.ndtg SGhl .. "m. II.r ... 1
...11 .. "'-'On.n,kCOIl\JUl'
ge.lOlen apPII,luuf. \I.nhl.h., .ap!o.iI\I'tIig.I ~In.c"" app.rlluut en un.chhng
STAEHGEHYG~NE---~~ '.nh/\l ... n ka.l noua.n OOOI.po,a-len mel ... f
~ ALLE GEVAllEN ARTS WAARSCHUWEN
~ • ..-: .o.m,:wx.(i~bi.vw. lippen öi 1\&. ;;;;:;.~ pI . . IMa.JIo.' .f.l~1I"Iog ot 'd.mh~: ~.~hlnal.~~~
g.', dutlltltgIl.", .1~fOgtl.4. hooIapt,-. IInglb.Kfl.rrnong
,fWD1'OIvo.l. "fam~n
tNkI: worctt ~~. toodflitO . .I, • ... 'dlr IlIndsc~flIo. b1st:h.rm.--;;O-;-ki;d~
'~.~'.
... 10:. b.h&nO.long, .0 0t'ImtCW •• ,.. f\a.If
.1»-.... ntI ... rvoer.n
\I.rontr""'Ode klldtng uUl, ... k.n, hUICI .p~. Ilo m'l .... , .... 1 .. ol .Idouc .... n '1'1 11'1. , . . oplegen . • n .lcnodIg naar tllk.nnuI' "'1"
Og"": 'Oodll .. C P'l'l, SIeCh' ,.ao I g.I . . I$s(.h .. m - - -.---.J 1I'OI,.n
. " . , leogdUflO spoel.n mei .... , ... 1 .. It:on· ,;:;ÎÎü-.n:--Mr,i;,;-oo,··o. • ..,.... hu4-:-~.-;.;;~~-f
-·~---... P+tfl. bleft.o. ' " "ard .. ·In.o.man'
OPRUIMING OPSLAG / AFVALCODES
lekvf()l"lo' op ... ang." It'\ "slvoIDIJ. ".1.0,
mot',vtoIt,ltO' ~n.o lil .I&nO of ., •• " lb·
lorpt..modo . . . 1'1 naM \lallotola pl.wl. Il'\ooIren,
tI,'anl ons.c:tlaa.lojlo: mak.n In.1 Chlo)Of~.k·
lOOg la.cra per,<>OnIt, ... be,cNrtnIf'IQ pe". luChtmu .. .,)
Dland\I.",g gesch."'.n ... oa.o.'tlmtoa.lln
WCA B 2160 KCA 111 OPMERKINGEN
'AC'''nz,,. ... ,tcf ... ,., tnU' """,,.I'JlI mog.·
IIjkl. d&n O " f . " . pr .... ""n
mond III.n ,~';"i.. bll'llOOIIoInQ
... Of\mtdd.IIoJok nlUf Il.k.rmu, .... ,..,..oe,.n
ETIKETIERING / NFPA A "-23/24/25 5 ló 21 ... :bl
:
ii
:
loehl V.,gfniiJ onrwI.o"' ...~
0. r''''''" .. ns "", bo",n a. MAC· ... ...,o. 8'1 .... 'glfllOlI'\Q dOOf deze .,of IS ~CI",."'f 'IOISIC: hulp /'IOOd'''''''I'' D. o.oo.Jogde """".len m,' O •• If\II".un .... ,~>I." "00.01"0 b'KtI,"b ... ' .I'jf' In de pub ... 'IO' ".n d. ArbeoJsonspet:h' P l00.n P .07 ... ord.n Ultwoe' '9' Iflslfucloe. ~QI""" wOOf
.... , \I .. /og .... lOr".n mil o..Z& slof f i l ' " FIuIp woor EHaD ... "OOfCltoI an, "" ... rt luurl'o.Jf 101"""'0 aan twl "4I:tI'ol'l.,
".nlpo,1 Ema.",.,,,, e.,o T'fC(A)."" G~ ... : l3t; VH_~, 164'
10 ••• ,.kode C-0002
D-l
~
