Bereiding van furfurylalcohol door hydrogenering van furfural

:,.

" -:

adres:

I ,

....

laboratorium vQor Chemische Technologie

Verslag behorende bil het processchema

van

E.

H . ~.~os.. ------_._---.. ~ ,

1\

.

c

.

~~c.. onderwerp: . t ' " ' ... '"l •• ' . ' datum:

, ' ".." " , ,. f,' " ... '" ,.. , , . .< < " .. ~ ) 1' • .. j!

..

~

.'

.

.~ ,'1f, '7 ! -~ ...

.

.j'-'

....

.

.

" ," " .. > • T '

.'

.t f < 't

.

r ,":

..

, ,'. / '.t , ,

.

.

' ,

.

.

~, j, , ' , ... ... '> " " <. . ~. I " P \., , ' .'. "t. ' ... :f ~\/ ,,"" 't " ''',,'f ", ,

.

,,,",, #.' _{•. <} "", .",

. .

, ' .. ' ) \ ;.', • _'" I ... •• ~iot-. .,~ t .. ... -,,' I .

-t, .. , " ' .. .... ,

.

.... l 'T'V .. "'" J I '~:'~

.'

,

..

..:. j . ' ", .~ .... ; ' \ t"",

.

, ...

.

( " "

...

'" ,

.

,. , 'v',,!, I •• ,:;; .~-, :..:;"

.

" ,< • '; t·

.

" ' . "~ " > , , ~ ~. ., (,. ~" jlr ' _.' . _r I~ •• ~

Samenvatting over de technologische uitvoering van het proces.

Inleiding

Uitgangspunten voor het ontwerp Beschrijving vru~ het proces Procescondities

reactie-.. rarmte

reactiemechanisme en kinetiek

soortelijke warmte als functie van T de katalysator

Berekening van de apparatuur de verdamper T-2 de voorverwarmer H-l de compressor C-3 de reactor R-4 de partiële condensor H-5 de cycloon M-6 de nakoeler H-7

Berekening van de drukval in het systeem Massa- en warmte balans en Processcherna Globale Kostprijsbeschouwing

Lijst van gebruikte symbolen Geraadpleegde litteratuur Bijlagen pagina. 1 2 3 6 7 7 8 8 9 12 12

13

14

14

15

30

32

32

33 3.4.

36

37

39

Di t vooronhrerD is gem2.akt voor een fabriek t er bereiding van furfurylalêohol door hydrogenering van furÎural in de gasfase bij een druk van 1 atm. en een temperatuur van 1400C. Als katalysator vordt een koper-natriumsilicaat mengsel

gebruikt.

Door met een grote overmaat waterstof te werken vindt vol-ledige omzetting plê,ats van furfural naar furfurylalcohol, zodat zuivering van het gevormde product niet nodig is. De grondstoffen furfural en waterstof zijn voldoende zuiver te kopen.

~ Om in de reactor een niet te groot temperatuursverloop te / hebben is gekozen voor een buisreactor met koeling aan de

buitenkant v~~ de pijpen.

'.

De capaciteit van de ontworpen fabriek bedraagt 10 000 ton per jaar

Furfurylalcohol bli jkt op zeer goedkope wi j ze zO~lder zui ve-ring via katalytische hydrogenering uit furfural vervaar-digd te kunnen worden. Enkele moeilijy~heden in het proces-voorontwerp zijn de onvoldoende thermody~amische gegevens en het ontbreken van gegevens over de kinetiek van de reac-tie. Hierdoor zi jn dikwi jls aarmamen gem::akt.

Beter bekend zijn van de thermodynamische gegevens en de reactiekinetiek is derhalve bijzonder nuttig. Bovendien

verdi.ent het aanbeveling om de invloed van de overma.at w2ter-stof op de temperatuursgevoeligheid en de kostprijs te be-rekenen, om zo een optinrum te vinden voor de juiste overmaa.t

1-Taterstof. ·e ., -1/'. _{. - .'\../\.} I '': 'I ,)" I ' • ... \. .• ;_ ''''1 .... '0'" " ' ~ ;;-, ,~ '. « , \ .,;,:-~,' , .' I ( . ie ,: t /. ,: , ] I • 1.' ' ~. ''-L ... ~ .. ' I .' I . , .'~ --t./V"',; '; '\. " 1

-Inle).ding.

Furfurylalcohol is in zuivere toesta.nd èen l':1eurloze, bijna

reukloze Yloei stof. Er };:vnnen echter gemakkeli jk conàensati e-produkten ontstaan onder andere door toetreding van lucht waardoor de vloeistof snel do~cerder gekleurd wordt.

Furfurylalcohol be st B.2. t ui teen furaanring met op deD( -plaats een -CH20H groep:

C

C

I1 I1

~

C,O""-C-C ,..,

~OH .

In het algemeen ZlJn de furanen reactiver en minder aromatisch dan hun benzeen-analogen. Met furfurylalcohol zijn ook ver--schillende reacties mogelijk, maar vooral met zuren i s fur-furylalcohol bijzonder reactief. Furfurylalcohol kan gesta-biliseerd worden met behulp van een kleine hoeveelheid base. Met tri-n-propylamine blijft furfurylalcohol zelfs .in aan-wezigheid van zuurstof gedurende langere tijd onveranderd. De belangrijkste toepassingen van furfurylalcohol zijn:

1) •

2) •

3) • 4) .

grondstof voor harsen. Furfurylalcohol reageert met

ureumformaldehyde condensatieproducten en met zichzelf in de aanwezigheid van een zure katalysator. Een van de belangrijkste toepassingen van furfurylalcohol is het gebruik als bindmiddel in gietvormen. .

Een andere belangrijke toepassing is het maken van chemisch resistente harsen. Deze zijn opmerkelijk inert voor 'zuren, basen en oplosmiddelen.

Impregnerende oplossingen van fUl'furylalcohol worden gebruikt om poreus materiaal te behandelen, zoals hout, steen en koolstofvormen om het sterker, harder

en ondoordringbaar te maken voor corrosieve vloeistof-fen

Epoxyharsen worden minder visceus gemaakt door toe-voeging van furfurylalcohol.

Oplosmid.delen. Furfurylalcohol wordt gebruikt bij het bedrukken van textiel.

De productie van furfurylalcohol is de laatste jaren sterk toegenomen. De wereldproductie van furfural, dat behalve voor de bereidi~g van furf~rylalcohol ook vele andere toepassings -gebieden kent, was in1956

55.QQO

ton per jaar, waarvan

50.000 ton per jaar in de Verenigde staten. In Antwerpen staat nu een fabriek voor de bereiding van furfurylalcohol van 10.000 ton per jaar; dit is alleen al h ïeemaal zoveel

als de totale furfurYla.h:ol'trl productie bui ten de V. S. in

1956. .'

7'./dtvN/

.,.1- .~"0~ /".-'1\1'..)

-A. Externe gegevens.

De capac:L tei t va.Y). de ontViorpen fabriek bedr8.2.gt 10.000 ton

per j aé..'..r. Bij een aantal i-ïerlmren van 7500 per j ac.r) lwmt

dit neer op een productie van 1,33 ton furfurylalcohol per

uur of 13,6 kgmo1 per uur.

De gronstoffen furfural en waterstof zijn voldoende zuiver

te koop. Voor furfura1 luiden de specificaties van Qu~~er

Oats,de voornaamste producent: (Litt.1)

residu bij vacuumdesti11atie 0,50% max.

zuurgraad (equivalent/liter) 0,02 max.

vocht 0,20% max.

specifieke dichtheid 1,160 min.

brekingsindex 200

e

_{1,524 - 1,527}

Waterstof is afhaP-ke1ijk van de prijs te koop tot een

zui-verheid van 99,9 procent.

De specificaties van de Quaker Oats voor furfurylalcohol zijn (litt. 2):

vocht

specifieke dichtheid brekingsindex (20

Oe)

furfura1 0,3% 1,134 1,485 0,7% max. - 1,137 - 1,488 max.

B.

Fysische en thermodynamische gegevens.

roo1ecu1air gew.

~Qkpunt (in

Oe)

bij 25 min. Eg

bi j 10 Imn. Eg

vriespunt (in

Oe)

dichtheid verdampin~s~armte bij kookpunt (kcal/mol) soortelijke warmte (ca1/ gr.

Oe)

visêositèit (in cp) bij

oOe

250

_e

Furfural 1) 96,08 31.

j

161,7 72 -36,5 1) -38,7 7) 1,1598 1) 2,48 1) 1,49 '3 -Furfury1a1coho1 1) 98,1 ) 170 1 82 - 83 5) 68 - 69 3) -14,63 1) -29 l)metastab. 1,1285

3~

1,1296 4) 1,135 13,5 (berekend) 0,472

~~

0,502

6

0,500 4,62 2)

°

oe

25

oe

vervolg viscositeit (inocP) bij

38

e

54

oe

99

oe diffusiecbëff.

(dampfase in cm2/sec)

bij

17

oe

25

oe

50

oe brekingsindex bij

20

oe

25

oe warmtegeleidingzvermo-gen (cal/sec.cm oe cm) oppervlaktespruL~in8 (dynes/cm.) bij

°

e

25

oe

30,0

oe

kritische druk (atm.) kritische temp. (Oe) oplosbaarheifl (in gew

%)

in water

in alcohol

in ether explosiegrensen

ontbrandingstemp. (Oe) flash point in lucht

(in oe)

verbrandingswarmte

(

~

H298

in kcal/ grmol)

._ vormihgsenthaLpie

(in vloeistof bij

25

oe in kcal/grmol)

.

-

4·

-Furfural Furf'urylalcohol

1,35

1,09

0,68

0,076 1)

0,086

0,107

1,5261 1)

1,5235

1)

0,631 • 10':"3

43,5

1)

40,7

41,1

54,3 1)

397

1)

8,3 1)

oneindig oneindig onderste grens

2,1

vol

%

bij

125

oe eï)

740

mmo lig

393

1) 1)

66, 6

4-)

70, 5

68,3

.

560,3

558,2

559,8

1)

~1

-47,6 6)

-49,2 8)

38,2

oneindig oneindig oneindig

1,8 - 16,5

vol ~ bij

72,5 ï)122

oe

391 1)

65

4

1) afgesloten

75

)

608, 5

l~)

608,87

:>

-66, 060

~61

1:2)

-66,03

)

-65,6

vervolg

entropie van de

vloei-stof bij

2

3

Oe

in

cal/grmol

e

vrije enthalpie van

de vloeistof bij 25 oe

in kcal/grmol

smeltingswarmte

(in kcal/mol)

5

-Fur fLIT a 1 Furfurylalcohol

51,58

/t,6,12)

-36,880

4)12)

9

-36,86

₁₁₎

-36,99

3,14

6)

Beschri.jving van h u,t proces.

De katalytische hydrogenering van furfural tot

furfurylalco-hol is, omdat zuivering overbodig is, een zeer eenvoudig proces: behalve de reactor zijn slechts enkele warmtewis -selaars nodig.

De reactie verloopt in de gasfase in een overmaat waterstof

bij 1 atmosfeer en 140 °C. De overmaat waterstof is nodig

om het furfural en furfurylalcohol bij de reactietemp

era-tuur in de gasfase te houden, de reactie volledig te laten

verlopen en om de temperatuursgradiënt ih de reactor klein

te houden.

Terwijl voor de reactie slechts een molecuul waterstof per

molecuul furfural nodig is, wordt een verhouding gekozen van furfural : waterstof

=

1 : 10.

Omdat van de activiteit van de katalysator te Heinig g

ege-vens bekend zijn, kan geen optimum berekend worden voor de

juiste verhouding.

De reactie vindt plaats in een ~isreactor, omdat de tem.pe

-ratuur niet mag stijgen tot 177 C. Boven deze temperatuur

wordt er ook tetrahydrofuraan gevormd, he~geen niet gevenst

is. De reactor wordt aan de buitenzijde van de pijpen gekoeld.

Door gebruik te maken van enkele aaD~amen is het

tempera-tuursprofiel over de de reactor uitgerekend. Het te

mpera-tuursprofiel blijkt onder andere sterk afhankelijk te zijn

van de ingangstemperatuur van de reactanten.

Na de reactie wordt de gasstroom door een gaskoeler-con

den-sor geleid. Van 142 tot 112

°c

vindt alleen gaskoeling pl~ats,

na 112

°c

vindt ook partiële condensatie van furfurylalcohol

plaats. Bij 60

°c

is

93%

van het furfurylalcohol

geconden-seerd; de overblijvende

7%

wordt met de overmaat waterstof

gerecirculeerd. De scheiding tussen waterstof en

furfuryl-alcohol vindt dus plaats door koeling.

Het condensaat wordt in een volgende warmtewisselaar gekoeld

tot 30 °C.

Om de vloeistofdruppels uit de gasstroom te verwijderen wordt

deze door een cycloon geleid.

Na suppletie van het verbruikte waterstof wordt de ~Taterstof­

en furfurylalcoholstroom weer opgewarmd tot 94 °C. Na

ver-damping wordt furfural gemengt met deze 1-mterstof en

furfu-rylalcohol in een compressor en het totale gasmengsel wordt dan met een geringe overdruk, nodig vanwege de drukval in

de leidingen en units, met een temperatuur van 1190C in de

reactor geleid.

De geringe overdruk in de reactor voorkomt bovendien het naar

binnen lekken van klein$oeveelheden lucht, waarmee het

furfurylalcohol makkelijk reageert onder vorming van gekleurde

producten.

-Procescondities.

Reactiewarmte.

Ui t de l fiteratuur (lltt. 12) werd de reactiewarmte

gevon-den voor de katalytische hydrogenering Val1 furfural tot

furfurylalcohol in de vloeistoffase bij 25 oe:

IJ

Hr = -18,7 kcal/mol

Het volgende verband bestaat er tussen de reactiewarmte in

de gasfase bij 140 oe en die in de vloeistoffase bij 25 °C:

(). Hr = A Hr + b. c •

b.

T +

b

H ~ .

(gas, 140) (L, 25) P veraamplng

~cp = Cp(ffa) - cp(f~~~) _{- c p (H}

2)

cPlffa) .. = 49,2 cal/grmol oe bij 25°C

cp furfYlCl.

=

40,3 cal/ grmol

gc

bi j 25 oe

cp

H)

liQ= 6,93 cal/grmol e bij 25 oe

2

°

Á c _p

=

2,0 cal/grmol C

6c p

.Ö

T

=

2.115.10-3

=

0,23 kcal/grmol.

~ Hverd. = Hverd ffa. - Hverd furf. bij 140°C

De verdampingswarmte is bij verschillende temperaturen

met behulp van de geintegreerde regel van elapeyron uit te

rekenen als het p-T verband van de betreffende stof bekend

is. (li tt. 16) Voor het p-T verband Va.l1 furfural en

furfur'yl-alcohol raadplege men respectivelijk litteratuur 17 en 18.

Uit de b~rekeningen volgt dan:

HVerQ ffa 1400

t

= 13,1 kcal/mol

Hverd.furf 1400e

=

2,95

kcal/mol

6.

H = 3,15 kcal/mol.

verd 1400e

De verdampingsw-a.r:nten·:.bij de kookpunten zijn:

Hverd ffa 1700e = 13,5 kcal/mol

HVerd furf 160 oe = 10,2 kcal/mol

Ó. Hverd + 3 ~ 3 kcal/mol.

bHr -- -18,7 +0,23 +3,15 ~ -15,3 kcal/mol.

. (gas,1400e)

-ReactiemecbanJsme, evem!J.s;ht~ltgging en kinetiek.

Betreffende de evemiichtsligging, het reactiemechanisme en de kinetiek is in de litteratuur weinig te vinden.

Derhalve zijn enkele berekeningen uitgevoerd met gebruik. VéJn

aarma.men.

Omdat de reactie in aa.rn·rezigheid van een overma.at waterstof

plaatsvindt, is de waterstofconcentratie nagenoeg constant. Deze katalytische hydrogeneringsreactie zal derhalve volgens een pseudo-eerste orde reactie verlopen.

De evenwichtsligging is te berekenen met behulp van de vrije enthalpiën:

In K = -D, G

RT

log K

2,303.RT

We vinden nu door toepassing V211 de methode Vém van Krevelen en Chermin voor het temperatuursgebied van 300 - 600 ~

6.Gr

=

-19,083 + 2,913. 10-2T Kcal/mol

Deze betöekking geldt voor de gasfase en bij een temperatuur

van 140 e vinden we:

À G

=

-7 05 kcal/mol.

r '

3

Hieruit volgt: K

=

5,5.10

=

furfurvlalc

J

H2~

L

furfural

J

In de reactie H2 + f'1.J.rfural"'< - ; , I Furfurylalcohol ligt

het evenwicht dus feheel rechts.

Wat de kinetiek van de reactie betreft; bij 140 oe is de reactie in twee seconden voor 99,9% verlopen~ (litt. 23)

Hier-uit is een reactiesnelheidscondtante te bepalen, immers voor een eerste orde reactie geldt:

of

n

=

no.exp(-kt) 3 exp(-2k)

=

10--,

waaruit volgt: k 3,4 sec ~ 0

Een bekende regel is dat bij 10 C temperatuursstijging de reactiesnelheid ongeveer tweemaal zogroot is. Past men dit toe, dan.vindt,men(r~or

f4

₀)/lO)

k

=

3,4.2

De soortelijke warmte a 1..8_ fUl1.cti e van de temperatuur

bij 25 oe.

Van vergelijkba.re stoffen is het verloop van de soortelijke

varmte met de temperatuur en de overgm1g van de vloeistof-fase naar de gasfase wel bekend (litt. 6,19), en derhalve

is naar analogie val1. deze stoffen een verband gezocht bJ_ssen de soortelijke 'I-Tar>nte, de t€~mperatuuI' en de agregaatstoestand.

Voor furfurylalcohol vindt men dan de volgende l)aarden voor

de soortelijke warmte:

Cp (25 oe, liq.)

=

0,502 cal/gr. oe

cp (liq.)

=

0,502 + 9.10-

4

Ct - 25) cal!gr. oe

cp (100 oe, gas)

=

0,428 cal/gr.

°c

Voor furfu~al is gevonden:

c (liq.) = 0,42 cal/gr. oe van 14 - 80

°c

p

cp(gas) = 0,31 cal/gr. oe bij 1000e

Tenslotte voor 'Haterstof:

=

0,344 cal/gr. oe (constant genomen)

De katalysator. (litt. 20,21,23)

De katalysator bestaat uit gereduceerd koper met 20

gewichts-procenten watervrij natriumsilicaat.

De kata,lysator wordt bereid door zes delen technisch

koper-oxide te mengen met 4 delen van een 'YTatervrije oplossing

van waterglas. (40 °Baumé) Na 20 uur drogen in een oven bij

78 oe, wordt het geheel verpoederd. Na toevoeging van ee

n-tiende deel grafietpoeder wordt het mengsel tot c±lindrische

pellets van ongeveer 1/8 bij 1/8 inch samengeperst.

Activering vindt plaats door overleiding van een 100%

water-stof gasstroom bij 130 oe, waarna de temperatuur verhoogd.

wordt tot 300 - 400 C. Hierbij wordt de waterstof

geleide-lijk vervangen door stikstof totdat de percentages respecti-velijk 5 en 95 bedragen.

Toevoeging van natriumsilicaat aa.n de koperkatalysator

voor-komt de vorming van methylfuran. Indien geen natriumsilicaat

aan de katalysator wordt toegevoegd, dan begint de vorming

van methylfuraan snel toe t e nemen boven 140 oe; bi j 173 e

wordt al meer dan 6 procent va.n de furfural omgezet tot

methylfuraan.

Indien een katalysator met 10 procent natriumsilicaat 8ebruikt

wordt, dan Begint de vorming van methylfuraan bij 155 e

en bij 173 e wordt nog geen 3 procent methylfuran gevornd.

Bij gebruik van een katalysator met 20 procent natriumsilicaat

wordt zelfs b.1) 177 oe nog geen methylfura2..ll gevormd en blijft

slechts 0,3 prcent van het oorspronl{elijke furfural onomgezet.

-f N r:

voo

RW f\ /\

r.

T S U iT

~

· .. -.-.' --- '.-- - _ . _ ----_ ... _-- ----._- ' -

---~ ti

r...mur4'··~"C~~'~~.:a:lJ~~r~'«'4~"'~::\o.~~~:!"IW.na:ra.r.~~

_~·~

.

~J~

__

J~_L_~

~

.~~t

761

i ~ ~ _ __ _--'~ f-_ _ _ _ _ ~

r?.

e.~~016

-

1

-

-

--

2.,

L

·L

-

·:-~-=-

t-=-=--:...:

..:..~

-i

-~.

i

-

~ '--l'---~

-

---

!

t

·

i

r~'h , J. [ r k

r

=1

'

-

-- -

J

·

~

I

~

-

-

l ?

~

, - - - -

t

- - -

--

- -

-

-

~

-{ -stoom ~

~

0

~.

----~ I --- ~ ~ Hl r. _ _ _

J_u-~~

,07

62 I~~

i

I

~0,027$~ __ 2~~ ~ n

~

10)1041W

l

~tî3l

-

-

-

-(H

--J

~

j

12~---

'

----

T

L

13

I

t

i

hzfC----1?~

~

_____

'I

_

_

___

L

s

t

oo

m

I.

L---b~ZJj

.

.

.

h

~

T2

r==

-

:

u

i

~,3630

i

26j~, 8 ~~ _ .- -~--;i. 4J

I

8,1

1----

r=::==-t ---

_C3

~~ R242,2

1

--

---

1

-

ti- ____ j

R4

~

HETOUr. IN

~

UIT I

r .. ,·~·#_.:_ __ ~r-:t;#;Ir~., ... t".o;.ç~?~~~\.-.Ad\~.\:~~·"'~~.,.. .... K .. !

'I: r.1

~

Cl

i

H

~

0, f!

~

~

I

~=~~~~a~~r:~:'--

...

---.f~-'

""

_

....

,n.1_---_.;_"~[-.II'!.aJt:,-.-.~=-... ,r.;r;-'~ . ~.----y-,)-.!...L.Wt-- .~ -1---~-.

J.

-

- - - + -

-

.

-~ - -i

r-

1--

-

~

--

1

~ .

:

3

~----1

1.

,

---

--

'.

-~

.

l

r-- --

-

j:---

-i

- -

.

"

~

I

i----- - - _ f;- - - -:---~---t---:I~.----

---f

!

-:

y

~

-

--~ t J. • -4 ~0,06$6 l 140,6 ! _l-later. ';0. iQgJ.. ~ i67. L ~--.. - -Ft -=-==~ --=-=_==-L~l4-6 l

I

I

0,i676f ·s6s,lLI--- -~.O .0686

J

59.3:_ ~O ~ 3706

l

_.5l ... Q--.8 0.02'78

I

2J.!5 r

rJ

water I H5 fl

...

M61-t

t

~

l

~

CO.37G6

L

~---~

• -I

- - --

t --

-

-

-1-- - -

I

375, 8. ---Ie fl -

M

wa ter ~. t . n .

I

II

i

.

"

1

-

.

H71

:

~~~~~~

~

==~~

;

-l.J706

]

25,8

-

_O~3706

{

_~

.

~

oc

-:';

7

1

- -

-

v

~

,

-

-

"

F

.

.

561,0 ..

L_

Ml

é~

~

L~1

:.:

~~

.179i

l~

~...

-

t

.mcCOiA-p-O-H-E-N T E K ~ . ---C0 tJl PO NE N TE N ~BereiD.ing Vim...

M

~n

kgf secfAl-,.;a.terstof.

I

I

~

furfuryl

a

lco

h

ç]

B furfural

Q in kW .

I-QJ

furfurvla 1 c.

E.H.A,BQS

J.A.C.Bac.

augustus...! 7 o

-13ereker~.:tQl~ . . YllQ.. enkele eiK91.1~~JSll.s.:ppen~;n de k~.:t.§-l.Ys ator.

De samenstellin~,vcm de kat2.1ysator voor de red

₁₅

ctie .. is:

6 delen kopero:nde op 4 delen waterglas van 40 Baume.

Het 1la terglas bestaat uit natr iUl.'l.oxi de , siliciumoxide en

water in de geldchtsverhouding:

Na20 : _8i02 : H20

=

8,9 : 28,7 : 62,4.

Na-de reductie i s het water verdwenen en is het koperoxide

gereduce9~d tot koper.

koper: soortelijk gew.

₌

8,96

-

8,92.103 kg/m3

moleculair gew.

₌

63,546 gr./grmol

koperoxide:

6,4 .10 3 kg/m3 soortelijk geH. ~ 6,3

molecul air gew.

₌

79, 54 gr • / gI'IIlol

natriu~silicaat: Na28i03 Na"O 8i6₂ s.g. s.g. s.g.

=

2,4.10 3kg/ m 3 3 · 3

~

=

2,27.19

kg

/

lf

= 2,2.10 kg/:m-. 'V 3 / 3 s.g.

=

2,3.10 kg m Na reductie is de verhouding koper-natrimllsilj:caat:

6 • .2.~ 5 : 4 • 8 , 9 + 28, 7 =:! 3 : 1

79,5 100

Het soortelijk gewicht van het koper bij gelijkblijvend volume bedraagt:

s.g. Cu

=

s. g • CuO· MCU

Meuo

=

6,4 • 63,3

=

5,1.103 kg/m3 79,5

Het soortelijk gewicht van de katalysator is: s·g'kat = 3 .s·g·Cu + s·g·Na2~(8i02)3,22

4

s.g'k _{__ a} t

=

4,4.103 kg/m3•

De soorteli jke warmte van de katalysator is:

c leu)

=

0,092

4

c~ 8iO'» = 44,18 cp _{Na 2}ü)= 68,2 cal/gr oe J/mol oe J/mol oe

c _p (Na~O) _{~ x} (SiO') _{,- y}

=

x • 44,18 + y • 68,2 ~/mol oe

c_p(Na₂0) (Si0₂)3,22

=

44,18 + 3,22. 68,2 = 210 J/mo1 oe

= 0,191 cal/gr.

oe.

-Stel c (kat)

=

3.c (Cu) + c (Na 0) (Si0

2)

=

0,125 cal/ gr.

°c

p p p 2 3,22

Aang,:"nonl:~n is dat de porosi tei t van de l{atalysa tor in

de reactor 0,5 b3draagt.

De berekening Vllil de benodigde hoeveelheid katalysator volgt

uit het feit dQt de verbli jf tijd van het gasmengsel in de öeactor twee seconclen bedraagt. Het debiet b8draa~t bij 140

C 1287 liter/sec. Het doorstroombare volume V

=

~v~

=

1287 . 2

=

2574 liter. .

Bij een porosi tel t van 0,5 is het totale reactorvolUi11e 5148

liter en het katalysatorvolume 2574 liter. De hoeveelheid

De verdamper T-2

In deze verdar:lper i-TOrdt het furfura1 verdampt.

De grootte van de warmteoverdrachtscoëfficiënt U is te

be-rekenen volgens:

1

= 1+d+1

U ( ) ( l " IX"

Uit de litteratuur (litt. 13) worden de volgende

warmteove:r--drachtscoëfficiënten gevonden:

condenserende stoom b<. = 5.000 - 20.000 VT/m~ oe

koken v~~ vloeistof ~ = 1.000 - 20.000 W/m- oe warmtege

leidingsvermo-gen V3..ll staal À = 45 Wim oe

Gebruikt men een pijp met een ui hfendige diam.eter van 1 inch en een wanddikte van 8.10-4 meter dan vindt men voor U:

1 = 1 + U_max 20.000 1 = 1 +

U-gemid 10.000 1 = 1 +

u-:-

_mln 5.000 1 + 20.000 1 + 5.000 1 + 1.000 8.10-4 45 8.10-4 45 8.10-

4

4 5 -U _max' =3 103 V/m2 0 i U gem=3 , 2 .103 ti U . =0, 8.103 tI mln

Uit andere litteratuur (litt. 14) waar de warmteoverdrachts-coëfficiënt gegeven wordt als functie van het kookpunt van de te verdampen vloeistof en het temperatuursverschil over de pijpwand wordt gevonden:

U

=

3,8.10

3

W/m2 oe. Derhalve wordt genomen voor U = De warmtestroom ~w is: .

~

w

~

4

~ ~

Cp •

11

T

<

IJ.,

;1.

1+

~w'

== 254 kW.

Het benodigde oppervlak van de verdamper volgt dan uit de relatie:

A =

pw

U.,ó. T

Voleens de handleiding is stoom beschikbaar van 10 bar en 185

e.

Het temperatuursverschil !:J. T = Tstoom - T_kpt = 230e.

-Voor het benodigde oppervlak

A ==

b.2..4.!J~

5

=

3,2.10 • 23

Bij een pijplengt van

inch zijn derhalve 30

De voorverwarmer

a-I

De gerecirculeerde waterstof en furfurylalcohol moet met de

nieuw toegevoegde hoeveelheid waterstof op 94,15 oe gebracht

worden, opdat na compressie samen met het furfural de ing

8ngs-temperatuur van de reactor 119 oe is.

De temperatuur van de gerecirculeerde waterstof en

furfuryl-alcohol bedraagt 60 oe en die van de gesuppleerde 1vaterstof

20 oe.

Voor opl.-Télrming tot 94,15 oe is een warmtestroom

d

_w nodig,

die als volgt berekend wordt: I

,

=

4-

m(ffa) • cp (ffa, gas) •

C

A

T) 1 +

r

_m

i

_{H2). cp (H2) •} (11 T) 1 +

~ m~a2)·

cp

(~)

• (il T) 2

~w

=

0,0278~1,8.l03.34,15

+ 0,0686.14,46.103.34,15 +

0,0076.14,46.103 .74,15

~

w = 1710 + 33900

+

8k40 = 43,75

kv'.

Stel U

=

150 W/m2 oe en stoom is beschikbaar van 3 bar en een

temperatuur van 145 oe. _

De temperatuur v~~ het gasmengsel dat de voorverwarmer binnen-komt bedraagt 56,4 oe en h~t geniddelde temperatuursverschil

L1

T = 69,7 oe -.

Het voor de voorverwarmer benodigde oppervlak bedraagt

o.er-halve: _{3 _ 2}

43,75.10 - 4,2 m

=

150 • 69,7

Bij een pijplengte van 3 meter en een pijpdiameter van 3/4 inch ZijT ... in totaal 23,5 pijpen nodig. Er is derhalve ,::;en

warmtewisselaar nodig met pijpen van 3 meteren een pijpd

ia-meter va.~ 3/4 inch. )l&<_" v"'J tui /"1-I-ci..

v(~·-Aangezien er bij het ops"tarteh begon..~en moet 1wrden. met wate r-s tof van 20 oe en een tienvoudige ov·:;rmaat waterstof, is

het g1L"Ylstiger stoom va...'1 10 atmosfeer te gebruilç:en en een

warmt ewisselaar met 33 pijpen te nemen.

Gekozen is voor een ï,.;armtei.:risselaar met vaste pijpenbundel

in een pass. Dit resulteert bij een pitch van 1 inch~ in

een inwendige diameter van 8 inch voor de warmte1TÎ sselaar.

-De compr2ssor C-3

Voor de totale drukval in de leidingen en de units is berekend

IJ.

p = 0, 2 a tmo sf e ,-:; r •

Uitgaande van adiahatische compressie gelden de volgende formule s: (li tt. 22) c c

=

P v c _v

₌

9,25 K

=

_c

₌

-p c-v R

=

30 cal/mol

=

42 cal/mol

=

6,935 cal/mol [1T (1) (2) .), (H,.,)

'f

m ,G + c (ffp a) •

~

_m (ffa) + c (fup rf) .)., (furf)

Cf

_m

----;p+

'

-mCtota2l) -P- - -. _._-~-,-~---,--- -2,0 1,275 = 7,25 cal/mol. dust< - 1 -- 0,215 K

Na invullÖn van deze gegevens in formule 2 wordt gevonden

t,

=

114 C. De temperatuursstijging ten§evolge van de adj .a-batische compressie bedraagt derhalve 5 C.

Het debiet v~~ de compressor is gelijk aan het aantal gra~mol

per seconde maal het volume per graITl.mole~uul: 150,6 • 22,4

=

0,937 nm3/sec.

3600

De drukver~oging is 0,2 atmosfeer.

Een geschikte compressor in dit werl,gebied is de Root's compressor.

Berekent.t:l&''''y'an de reactor.

Het volume vac"1. de reacor bedraagt 5150 liter (zie pagina 11). De hoeveelheid vrijkomende r~actiewarmte is:

15,3 • 13.q,

3,6 243 kW.

- 14

De reactie vindt plaats in P1Jpen; om de react:lewar:mte (:;oed

af te voeren is een ~ijpdiameter van 5 cm. gekozen. Bij een

lengte va.."'l 2 meter zijn dan 1308 pijpen nodig. Koeling vinclt

plaats door kokend water en bovenin de reactor, waar de

reactie-snelheid zeer klein is, door stoom. Om een goed temperatuurs

-profiel in de reactor te verkrijgen moet de koeling bovenin

de reactor zeer klein zijn.

Voor de berekening VaJl het temperatuursprofiel is gebruik

gemaakt v~n de volgende formules:

Cp • dT = - U 17" d(T -Tkoel) +

iJ

H • -dn

dz dz

De toename v~"'l de hoeveelheid warmte is derhalve gelijk aan

de door de reactie geproduceerde warmte min de warmte die door de koeling wordt afgevoerd.

Voor een eerste orde reactie geldt: -dn=kn dt dt

=

dt~)

=

;dZ

Hieruit volgt: - dn =

k-k.

dz

'7-- /::;Jl = k v n bz

Voor het oplossen van deze twee afh,ankelijke differentiaa.l-vergelijkingen is gebruik gemaakt van de computer.

Voor de warmteoverdrachtscoëfficiënten is gebruikt:

u

= 35 w/~ oe

u

= 5 Wim oe voor kokend water - stromend gas voor stoom - stromend gas

In bijlage 1 vindt men het programma waarmede de temperatuur in de reactor, de temperatuur van het koelmiddel en de

omzettingsgraad als functie van de hoogte z berekend is. De partiële condensor. (litt. 15)

De damp die de partiële condensor binnenkomt heeft een tempe-ratuur van 142,4 oe en bestaat uit 14,62 kgmol furfurylalco-hol per uur en 122,4 kgmol "\{aterstof per uur.

Het gasmengsel dat de partiële condensor verlaat heeft een temperatuur van 60 oe en bestaat uit 122,4 kgmol waterstof

per uur en 1,02 kgmo1 furfury1alcohol per uur ,

I

De hoeveelheid furfurylalcohol die derhalve door condensatie

verwijderd wordt bedraagt 13,6 kgmol per uur.

-Het d,nn-rpunt.

De partiaaldruk VêUl h2t inkomende furfurylalcohol bedraagt:

14,62 • 820= 87,5 ram. Hg 137,02

De totale dYQ~ is 820 mmo fig: 1 atmosfeer en de geschatte drukval over de condensor van 60 mmo fig.

De verzadigingstemperatuur behorend bij een partiae.lspanning van 87,5 mmo fig bedraagt 112 oe en de partiaaldruk van I-Tater

-stof bedraagt derhalve 820 - 87,5

=

732,5 mmo H8'

De partiaaldruK van het furftITylalcohol bij 60 e bedraagt 6,3 mm. fig.

Van 142,4 oe tot 112 oe vindt al1~en gaskoeling plaats, terwijl

condensatie en gaskoeling plaatsvindt van 112 e tot 60 oe. De gekozen temperatuursintervallen voor de berekening zijn:

A:

gaskoeling van 142,4 - 112 oe oe oe oe oe oe

B:

condensatie en gaskoeling van 112 - 105 e: condensatie en gaskoeling van 105 98 D: condensatie en gaskoeling van 98 - 89

E:

condensatie en gaskoeling van 89 - R6

F:

condensatie en gaskoeling van 76 - 60

De hoeveelheden warmte die per sectie moet worden afgevoerd:

A:

cp(ffa,gas)

=

42 cal/mol oe c p (a2)

=

6,935 cal/mol oe Q

=

c • Ä T .,J. + C •

.4

T •

~

= 42 • lij, 6 ( 142 , 4 -p

rm

p m 6,935 • 122,4(142,4 - 112) = 44,4.103 kcal/hr. 112)+

~ De verzadigingsdruk van furfurylalcohol bij 105 oe is 64 mm. ag.

Aangenomen is dat de dnlicval 20 mmo Eg bedraagt, zodat de

partiaaldTIL~ vanwaterstof 800 - 64

=

736 mmo fig.

Het aantal kgmol/hr~ furfurylalcohol in de gasfase bij 105 oe

M-. .

122,4 = 10,68. De hoeveelheid gecondenseerde

furfuryl-736

alcohol is derhalv~ 14,62 - 10,68 = 3,94 kgmol/hr. De vrijkomende condensatie-warmte ~s: 3

3,94 • 13,5.10 = 53,2.10 kcal/hr.

overgedragen voel bare warmte: . 3

c (ffa,gas). m(ffa,g).~ T= 42.14,62.7 = 4,37.103 cP(HZ) • m(Hz) .~ T = 6,935.122,4.7= 5,93.10 3 P . totaal 63,5 .10 kcal/hr. kcal/hr. kcal/hr.

C: Gaskoelingen condensatie van 105 oe tot 98

ge.

De verzadigingsdnllc van furfurylalcohol bij 98 e is 46 mmo Eg. De totale dTIL~ is 800 - 10 = 790 mmo fig , zodat de

partiaal-spanning van de waterstof 744 mmo ag bedraagt.

De hoeveelheid furfuryla1coho1 in de gasfase bij 98 oe is 46 • 122,4/ 744 = 7,57 kgmol/hr.

De hoeveelheid gé:condenseerde furfurylalcohol in deze sectj C:: bedraagt dus 10,68 - 7,57 = 3,11 kgmo1/hr.

De vrijkomende condensatiewarmte is:

- 16

? kcal/hr. == 42,0

.

10.7 3,9.4.57,2.7 10,68. 1r2. 7

=

=

1,58. 103 3,14· 103 kcal/hkcal/hr. r. 10 3 122,4 • 6,935 . 7 - 5,95. kcal/hr. totaal 52,67. 10 3"--fc al/hl' .

D: Gaskoeling en condensatie van 98 oe tot 89 oe.

De ver zf-ld.icingsdruk van furfuTylalcohol bij 89 oe is 30 mmo

De totale dro};: is 790 - 10 == 780 mm. Hg, zodat de partiaa

l-span...c'1.ing VéLn de vaterstof 750 mmo Hg bedraagt.

De hoeveelheid furfurylalcohol in de gasfase bij 89 oe is

30 . 122,4/ 750 = 490 kgmol/hr.

De hoeveelheid gecondenseerde furfurylalcohol in deze sectie

bedraagt dus 7,57 - 4,90 = 2,67 kgmol/hr.

fig.

De vrijLomende co

₃

densatiewarmte is:

2,67 • 13,5 . 10 == 36,08 103 kcal/hr.

Voel bare ~..rarmte:

m~ffa,liG..). cu' 6 T

=

m ffa,gas) . cp.dT = m H2) • c_p(H2) • D T

=

7,05 • 55,3 . 9 7,57 . 42 . 9 122,4 • 6,935 .

9

totaal == == =

...

3,90 10.7 kcal/hr. 86 3 / 2, . 10 3 kcal hr. 8>48 10 kcal/hr.

-

---,.-51,32 • 10 kcal/hr.. E: Gaskoeling en condensatie van 89 oe tot 76 oe.

De verzadigingsdruk van furfurylalcohol bij 76 oe is 16 mmo

De totale druk is 780 - 10

=

770 mmo Hg, zodat de partiaal-span..Yling van de \-later stof 754 mmo Hg bedraagt.

De hoeveelheid furfurylalcohol in de gasfase bij 76 oe is 16 • 122,4/ 7~ 2,60 kgmol/hr.

De hoeveelheid gecondenseerde furfurylalcohol in deze sectie

bedraagt dus 4,90 - 2,60 == 2,30 kgmol/hr.

fig.

De vrijkomende condensatiewarmte is:

2,30 • 13,5 . 103 Voelbare warmte: m~ffa, liq.) • . c •

Li

T

=

m ffa,gas) . cp. 1::. T == m H 2) • Cp(fi2

Y

.IjT == 9,72 • 54,9 . 13 4,90 • 42,0 • 13 122,4 . 6,935 • 13 = 31,05. 6,93. 2,68. = 11,05. == == 103 kcal/hr. 103 3 kcal/hr. 10 kcal/hr. 103 kcal/hr. totaal 51,71. lö3:-kcallhr. F: Gaskoeling en condensatie van 76 oe tot 60 oe.

De ve r zadi ging sdrul\: van fur furylal c oho 1 bi j 60 oe is 6,3 ID...'1l. Hg.

De totale druk is 770 - 10 == 760 m.m.. Hg, zodat de

partiaal-sparming van de ,,{aterstof 753,7 mmo Hg bedraagt.

De hoeveelheid furfurylalcohol in de gasfase bij 60 oe is

6,3 . 122,4 / 753,7

=

1,022 kgmol/hr.

De hoeveelheid gecondenseerde furfurylalcohol in deze sectie

bedraa~t dus 2,60 - 1,022 == 1,58 kgmol/hr.

De vriJko~ende co~densatiewa~te is: 3

1,58 • 13,5 . 10 == 21,32. 10 kcal/hr.

Voelbare warmte:

-De totale condensor

A'

,

B:

C: D: E:

F:

12,02 2,60 122,4 53 • 16

=

10,40. 10 3 kcal/hr. 42 • 16

=

1,75. 10 3 kcal/hr. 6,935 .16=13,59. 10 3 kcal/hr.

totaal 47,06.

-ïo7-fcál!hr

.

hoeveelheid af te voeren warmte in de partiële

bedraagt derhalve:

103 44,4

.

kcal/hr. 10 3 63,5

.

kcal/hr. 52,67. 10 3 kcal/hr. 51,32. 10 3 kcal/hr. 51,71. 103 kcal/hr, 47,06. 10 3 kcal/hr. totaal 310,7 .lé)3'kca17hr. = 360, 7 1\.\.[.

In werkelijlcheid moet 375,65 kW afgevoerd worden. Bij de

berekenin~ v~n de hoeveelheid voelbare warmte die wo~dt

afgedra-gen in de" verschillende secties v~n de koeler-condensor is

aangenomen dat alle furfurylalcohol eerst koelt tot de l aagste

temperatuur en dan pas condenseerde Er condenseert echter

voortdurend furfurylalcohol waardoor ook vloeibare

furfuryl-alcohol naar de onderste temperatuur gekoeld moet worden.

Hiervoor is is het nodig meer warmte te onttrekken aan het

systeem. Voor de berekening van de partiële condensor worden

echter de bovensta~nde waarden gebruikt.

1). In e~rste instantie 20rdt de warmtewisselaar benaderd.

Stel derhalve U = 280 Wim

°c

en AT= 70 oe. "

Het benodigde oppervlak voor de partiële condensor is:

A = Q

=

360,7 • 103 = 18,4 m2 •

U • AT 280. 70 Neem pijpen met du = 3/4 inch = 1,904 cm.

di = 0,62 inch= 1,57 cm.

A

=

n

.-n-.

d.l •

Hierin is n = a~ntai pijpen

d = diameter pijpen

l = effectieve lengte pijpen (per pass voor U-pijpen)

n • 1 = A = 307

ït .d

Indien n = 60 d~n vindt men voor de effectieve lengte van

een pijp v~n 6 meter 1:15 • 6 /16 = 5,66 meter Het totale

effectieve oppervlak is d~n 20,2 ~.

Voor n

=

60 en zes passes U-pijpen van 3/4 inch met een pitch

van 1 inch vindt men voor de inwendige dia.meter van de \farmte- "

wisselaar 13'/411

2) • Aangenomen '.{ordt een koelwatersnelheid van twee meter per per seconde.

-De benodigde hoeveelheid water is:

cP

m(_H20)

=

n •

J~

•

'TT" d2 ._3..

=

-",-60~--=

1

=:-;;:0

.

3ÎJ~ïh10-2)2

• 2 =

4 . p 4 . 6

=

3,88 kg/sec.

p

=

aantal passes.

De temperatuurstijging Vffil het koelwater is:

=

360,7 • 103 --3

=

3,88 • 4,2 •. _~0

22 oe.

3). De wamteoverdrachtscoëffic:i.ënt aan de buiszi,jde:

Bij een snelheid van 1

mis

en een gemiddelde

koelwatertemnera-tuur van 39 oe volgt volgens litt l~hi= 830 Btu/hr.sqft.öF Omgerekend in \.J/m2 oe: ~

=

830 • 5,65 = 4700 14/m2 oe.

Betrokken op de buitendiameter van de pijp vindt men dan:

h· _,lO

=

h· • d· _{l - l}

d

u

= 4700 • 1 , 57

=

3870 W / m2 oe. 1,90

4). Eigenschappen van de fluid aan de buitenkant van de pijpen bij een gemiddelde temperatuur van 100 oe.

Furfurylalcohol- gas: À

=

150;..

vil

cm oe

'l

= 100 .AP Cu

=

175

J/

mol oe Waterstof: À

=

19l04VJ/cm oe

'1

=

103: }4P cp

=

29,1 J/mol oe

.

~geschatl

_geschat geschat

De gemiddelde warmtegelèidingscoëfficiënt is voor dit gas-mengsel: \

~

=

A(H

_{2) • molfractie H2} + X(ffa). molfractie ffa In sectie A: À

=

1910

.

1222

4

~ 150

.

~ = 1724 rW/cm oe 137 137 .

X

= 0,1724 Wim oe. In sectie F: 1896 jl.A.W/ cm oe ).= ₁₉₁₀

.

_122,4 + 150 _1_ = , 123 4 123,4

~=

0,1896 Wim oe.

De gemiddelde warmtegeleidingscoëfficiënt van het gasmengsel in de partiële condetisor is:

,À

=

0, 181 W /m

oe.

De gemiddelde viscositeit van het gasmengsel volgt uit:

-~ = ~(H2) • _{massafractie H2} + ~(ffa) • massafractie ffa In sectie A: ~ -103 2/6 7 + 100 • lL33

\

-

• 16SÓ

1680 = 100,4 p,P = 1,004 • 10-5 kg/m sec In sectie F: V\ =103 • 246,,7 \ 346,7 + 100 • 100 = 102,2 ~p = 1,022 • 10- 5 kg/m sec 3Jy6,7 .

De gemiddelde viscositeit V~l het gasmengsel in de p~rtië1e

condensor is

~ = 1,013 • 10-5 kg/m sec.

De soortelijke wamte van het gasmengsel in de diverse secties

van de partiële condensor volgt uit:

cp = _{c p (H2) •} massafractie H2 + cp(ffa) • massafractie ffa

In sectie A en B: cp

=

29,1 • 246,7 • 103+ 175 • 1433 • 103 = 3,64 • 103 J/kg oe 2,016 • 1680 98,1 • 1680 In sectie C: cp

=

29,1 • 246,7 2,016 • 129L!' In sectie D: cp

=

29 21 • 24,627 2,016

_·

990 In sectie

E:

cp = 2921 • 246 27 2,016

_·

727 In sectie

F:

cp

=

2921 • 24627 2,016

_·

501

·

103 + 175 •

10&~03

= 4,20 • 103 J/kg oe 98,1 • 1294 103 + 175

_·

98,1

7Al

_·

990

·

10 3

=

4,77 • 10

3 /

J kg 0

e

• 103 + 175

·

~20

·

103 = 6,13 .- 103 J/kg oe I 98,1

_·

727

·

103 + 175

_·

25L

·

103 98,1

_·

501

Aan het einde van de ko~ler-condensor: ~ 3

C

=

z.9..J.~_~6,7_. 10./ + 1'75 !..~.;.Q.L_~Q:~ := 10,75.10 J/kg- oe

p

2;

016 • 346,7 98,1 • 346,7

5a). Gaskoeling.

De maximaal beschikbare doorsnede voor de doorstroming van het gasmengsel bedraagt:

waarin:

a

s

=

-s D • c' . B P • 144

sqft.

Ds

=

in"YTendige diameter VaJl de cond.211S0r p, = pitch

c = afsta..YJ.d tussen de pijpen, gemeten langs de _ pitch B

=

baff1e afstand (18 inch)

a

=

13,25

~~~_~_l~

=

0,415 sQft

=

0,0384 m2

s I . 144

De ma5s- velocity wordt berelcend met de volgende formule

G

s

=

O,~I-_0,0384 = 12,23 kg/m2 sec

waarin W de doorvoersnelheid van het fluid is in kg/sec.

Met deze waarden wordt voor het Re~161ds getal gevonden:

Re

=

_{D • Gs}

=

1,88.

l~~2

• 12523

=

22,7 • 10 3

~ 1,013 • 10

D is de eQuivalente diameter = 0,7311

=

_{1,88 . 10-2 m.}

Voor dir Reynolds getal en een baffle-cut v~n 25% wordt een·

warmtetransportgetal gevonden van:

J•

H -

- 88 De warmteoverdrachtscoëfficiënt ho is: . . \ ( )1/3 0, 14 ho

=~H+' ~ 'l~î

ho

=

88 •

0,18~2'

0,595 • 1 = 504 w/m2

°c

1,88 • 10

~ = viscositeit bij de heersende temperatuur

1w= viscositeit van het gas bij de wandtemperatuur

Aangezien er in deze sectie theoretisch geen condensatie op-treedt, is er geen warmtegeleiding door d~, condensaatfiim.

h (t - t ) = h. (t - t ) = U(t - t )

o g C 10 C W g 1-T

met t

=

temperatuur van het gas tg

=

tempera tuur van de wand

t C = temperatuur van het koelwater

·w t volgt uit: c 504(140 t

=

42

7 °C. c ' Dus U .t-.T = 504(140 42..'-.7) + 3~70(4227 -30) = 48.000 2 U

=

t8.000 .

=

435 W/m2

°c.

140 -

3öT

5b). Koeler-condensor

De diffusiecoëfficiënt va..71een gas diff\mderend door een ander gas is volgens de Gi11i1&71d correlatie:

-kd

=

4,28 • 10-3

~3/2

(1 +

1

\

1/2 cm2/sec.

p

~ V A

-:;vpJZ/3

HA MBI

waarin: T_k

=

temperatuur in oK

p

=

dTIL~ in atmosÎeer

VA

=

moleculair volume va.Tl component A

V_B

=

moleculair volume va.n compor.ent B

M

=

moleculair gewicht

V(R )

=

14,8

V(fta)

=

5.Vkoolstof + 2.Vzuurstof + 6Vwaterstof

=

117

Voor Tk wordt de gemiddelde temperatuur

=

373 oK genomen.

We vinden dan: 2 kd

=

0,40 cm /sec. De stofoverdrachtscoëfficiënt is: K - h (c . \'\ /

~ ~2/

J g - -~ P ~-=-t'--.. ---, .• ) 2/3 cp • Pgf • 11

1

/

f

kd

Teneinde K_g l3e kU.l1.llen berel{enen moet eerst het gemiddelde

mole-culairge\-riCht en de gemiddelde dichtheid va.ll het gasmengsel

in de verschillende secties van het koeler-condensor gedeelte

berekend worden volgens:

gemiddeld mol. gewicht: gemiddelde dichtheid In sectie B:

M

=

massa/aantal molen

f

=

massa/aantal molen volu..'Ue per mol

M

=

1680

=

12,25 kg/kgmo1 137

f

== 1680 13~22;4 • 298 • 385 =

°

,42 kg/m In sectie C: M

=

1294

=

9,74 kg/kgmol 133 ':l D

=

1294 . .-298

=

0,34 kg/m'" \ 133. 22,4 • 378 In sectie D: M

=

990

=

7,62 kg/kgmol 130

~

= 990 298 = 0,28 kg/m3 130 • 22, /+ • .371 In sectie E: M

=

727

=

5,71 kg/kgrnol 12 7,3 l ' 0,208

kg/m-~

== 727 • 29.8 = 127,3 .22,4 • 362 In sectie F: . M

=

501 == 4,01 kg/kgmol 12.5

~

--

501 298

=

0,153 kg/m3 1 125 • 22,4 • 349 - ??

-Aan het einde van de 1weler-condensor:

1-1

=

346

=

123,4

2, 70 kg/k~TIlol 346 o. __

?.2.L __

___

_

=

0,112 kg/ID.;'

123,4 0 22,4 0 333

In de ondersta~Ylde tabel zijn de l{entallen voor de berekening

van K _~ OD₀ ~eno

.

m~_-

-

n

-

.

B C D E F T<:innp

-~~1/3

0,595 0,614 0,643 0,700 0,762 0,833

(~pltf3

0,354 0,378 0,415 0,490 0,582 0,680

l~/3

0,71 0,86 0,99 1,14 1,40 1,72

6)e Gaskoe1er-condensor.

Sectie B: koeling en condensatie van 112 - 105 °C.

t = 112 oe

P~ = partiaalspdIming van furfury1a1cohol bij t = 87,5 mmo Hg

P ~

=

partiaalspc::.nning van waterstof

=

810 - 87,§

=

722,5 mmo Eg

tG

_w

=

30 oe

_.

Om de warmteoverdrachtscoëfficië~t U te berekenen moet aller

-eerst een schatting gemaakt worden voor de temperatuur van de vloeistoffilm op de pijpen tc:

t _c

=

t _g ~ 3/4(t - t ) _{g w} Hieruit volgt tc = 50,5 oe

Pc

=

partiaalspruLYling furfury1a1cohol bij te

=

3,6 mmo Eg

Pg

=

partiaalspanning waterstof aan wand

=

öl0 - 3,6

=

806,4 mmo

H~

= 806,4 - 722'g

=

788 mmo Hg , 2, 3 0 log 80 ,4 722,5 P

=

J2~ gf 2~3 0 Tog ~g' . p g K g

=

~

·

-"-Jh2.j4

3~--=--=--

=

7, 15 0 10 -3 3,64 0 10 0 788 0 12,25 0 10- 0 0, 7l m01/m2 mrn.Hg

De warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt berekend volgens:

hottg - tc) + Kgo~H(pv - p c)

=

hio(tc - tw)

=

_{U(t g - tw)} Vullen we tc in dan vindenwe:

504(112 - 50,5) + 7,15 0 10-3 • 56,7 0 103 (87,5 - 3,6)

=

4 4 3872(50 ,5 - 30)

3,1 0 10. + 3,4 0 10 = 7,94 0 10

Deze beide termen zijn niet aan elkaar gelijk en probeer

t _c

=

47, 5 oe en dan vindt men:

derhalve

I

I

3,25 . 104 + 3,4 • 10~

=

6,77 . 104

Deze ,·/aarde van tc voldoet.

U

.A

T

=

6,65 104 + 6,19 . 104

=

6,71 . 104

2

u

= 6,7

1 •

104 = 819

'~/Iu'2'

oe

112 - 30

Sectie e: koeling en condensatie van 105 - 98 oe tg

=

105 oe t = 30 oe pw _v

₌

64 mmo Hg 800 64

=

736 Hg

P

= - mm. Stel dat tc = 44 oe dan is

Pc

=

2,2 m.m. Hg Pg

=

797,8 mmo Hg Pgf

=

797,8 - 736 = 767 mmo Hg 2,3 • log 797,8 736

Door de condensatie v~n furfurylalcohol van het gas ver~Ylderd. Deze..Js nu 0,360

Dan geldt nu: G_s

=

9,35 kg/~ sec

Re

=

17,3 • 10 j

=

75 hH

=

444

W/m

2 oe o Kg = 6,22 10-3 mOl/m2 mm.Hg is de doorvoersnelheid kg/sec.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt berekend volgens: ho(t g - te) + Kg.

A

H(pv - pc)

=

hi~(tc - tw) = _{U(t g - tw)}

Vullen we tc in dan vinden we:

444 . 61

t

6,22.l0-J .5*,6.103 .61,8

=

3870 2,70 . . 10 + 2,18 . 10

=

5,42.

lof

· 4 , 8 8 . 104

=

5,42. 10 I •

lit '·

,-,

.

.

Het verschil tussen de beide termen is te groot en daarom wordt tc

=

42 oe genomen, en dan vindt men:

2,79 • 10

4

+ 2,18 • 104

=

4,65 • 104

Deze waarde van t _{. c} voldoet beter.

U .tlT

=

4,97 104 + 4,65 . 104 - 4,81 . 104

2

u

=

4,81 ._10

4

=

6 14 W/m2 oe 105 - 30

-Sectie D: lcoeling en condensatie van 98 - 89 oe t ... _g = 98 oe 30 oe v'f = Pv = 46 rum. Rg pg

=

790 - 46

=

744 mmo Hg

Stel dat tc = ~.l oe dan is

P

=

2 mmo Rg

P~

=

790 - 2

=

788

a~

.

Hg

Pgf

=

788 -

744

=

765 mmo Hg

2,3 • log 788

744

Door de condensatie van furfurylalcohol in de vorige sectie

is de doorvoersnelheid van h~t gas 1{

=

0,2747 kg/sec.

Dan geldt nu: G s = 7,15 kg/m - sec

Re

=

13,5 • 103 ·

j

=

65

h~

=

437 W/m2 oe

Kg = 6,40 • 10-3 mOl/m2 mm.Hg

De warmteoverdrachtscoëfficiënt I-rordt berekend volgens: ho ( tg - t c) + K • ~ H ( P - P )

=

h. ' ( t - t )

=

U ( t - t )

. g . v C 10 C W g w

Vullen i-re t in dan vinden we: c ') 3 . 437 ~ 57:4 6,40 •10-.J.5Z,7.10 • 44

=

2,49 • 10 4 + 1,60 • 10 . = 4,09 • 10 . =

Deze waarde van t voldoet goed.

c 3870 4,26 4,26 114 10

4

10 U .6. T = 4,09 ·. 104 + 4,2,q .• , 104 = 4,17 • 104 2

u

= 4,17 • 104 = 612

W/m

2

°C.

98 - 30

Sectie E: koeling en condensatie van 89 - 76 oe

t :::: 89 oe tg _w = 30 oe _. P = 30 mmo fIg P v

=

780 - 30

=

750 mmo Hg N§em t _{. c}

=

38,8 oe dan is Pc = 1,7 mmo Eg P6 = 780 - 1,7 = 778,3 rom.Hg b PgX' = 778 ,3 .- ,750 ~ 2,3. log 778,3

=

765 mmo Hg 750

Door condensatie van. furfurylalcoho1 in de vorige secties

is de doorvoersnelheid van

h

₂

t gas 'ol =

0,210

kg/sec.

Dan geldt nu: G ;::

5,26

kg/:f sec

Rg

=

9,8

•

10

ja

=

56

ho

=

..la

iJ

>..

(c~1/3

•

(tj'

1

4

=

377

w/m

2

oe.

Kg =

6,03 . 10-3

mOl/m

2

rom.Hg

De warmteoverdrachtscoäfficiijnt wordt berekend volgens:

hoCtg - te) + Kg.6H(pv - pc)

=

_{hio(t c -} tw) = u(tg - tw)

Na invullen van te vinden we:

377 •

50'i

+

6,03.10- 3

4

56,7.103 •

28,3

=

3870

•

8,8

1,89 • 104

+

0,97 • 10

=

3,40 • 10±

.

2,86 • 10

=

3,40 • 10

Deze waarde van te voldoet niet en daarom proberen we tc

=

38

oe

377

,

-

•

•

51j~-

6,03 .10- 3 •

4

6,7.103 .28,3

=

3870 • 8

1,92 • 104

+

0,97 • 10

=

3,09 • 104

2,89 • 104

=

3,09 • 104

Deze waarde van tc voldoet behoorlijk.

U .6T =

2,89

10

4

+

3,09 • 10

4

=

2,99 • 104

2

U =

2,99

• 10

4 ;::

507

vl/m2 oe.

-,89

- 30

Sectie

F:

koeling en condensatie van

76 - 60

oe

t =

76

oe tg =

30

oe w p =

-

16

:mmo Hg P v =

770 - 16

=

754

mmo Hg Stel tc=

34,3

oe dan is Pc =

1,25

mmo Hg.

Pg

=

770 - 1,25

=

768,75

Pgf =

768,75

.-

754

·

=

761

mmo Hg

2,3 .

log

768,]2

754

Door condensatie van furfurylalcohol in de vorige secties

is de doorvoersnelheid van het gas

W

=

0,1394

kg/sec.

Dan geldt nu:

G

_{s =}

3,64

kg

/,2

sec

Re

=

6,7 • 10

jH

=

44

h

=

352

W/m2

oe

°

-3 ' 2

K

=

6,00 • 10 mOl/m mmo Hg

g

De warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt berekend volgens:

ho(t_{g -} tc) + Kg. D.H(pv - pc)

=

hi _{o(tc -}

"tw)

=

_{U(t g - t},)

Na invullen van tc vinden we: -3 3 352 • 41,74+ 6,00.10 .46,7.10 1,115 • 10 4+ 0,502 • 10 1,617 • 10

Deze waarde van te voldoet goed.

.14,8 3~70 .• 4,3

4

=

l

,

66b4 •

10

=

1.666 • 104 U .

d

T

=

1,61 7 104 + 1,666 . 104

=

1,640 • 104 2

U

= 1,6AO • 104

=

357

W/m

2

°C.

76 - 30

Sectie F : het einde van de koeler-condensor bij 60 oe t = 60

°c

tg

=

30 oe w Pv = 6,3 mmo Hg Pg = 760 - 6,3 =753,7 mmo Hg Neem tc

=

32,5 oe en dan is Pc

=

1,1 mmo Hg Pg

=

760 - 1,1 = 758,9 mmo Hg Pgf

=

~_9 - 753,7

=

756,3 mmo Hg 2,3 • log 758,9 753,7

Door condensatie van furfuryla1cohol in de voorafgaande sectie is de doorvoersnelheid van het gas '\of = 0,0964 kg/sec.

Dan geldt nu: G_s

=

2,51 kg/~ sec .

Re

=

4,7 • 10

ja

=

38

ho

=

256 W/m2

°C.

K = 4,6 •

io-

3 mol/mf mm.Hg

g

De warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt berekend volgens: ho(tg - tc) + Kg •

..6

_{H(pv - pc) = hio(tc -}

'tw)

=

_{U(t g - tw)}

Na invullen van t vinden we:

c . 256 • 27,5 4+ 4,6 • 56,7_1. 5,2 0,704 • 10

4

+ 0,146 • 1~ 0,840 • 10 . = 3870 • 2,5

=

0,966 •

l0i

= 0,966 • 10 Deze waarde van te voldoet goed.

27-u .

6

T

=

iLJL4P •

104 + 0,966 • 104 ::: 0,903 . lOlt 2 U =

0,90~

• 104

=

301

\·r/m

2

°c.

60 - 30 7). Benodigde oppcrvlaY~en. A) Gaskoeler

Het gemiddelde temeratuursverschil is 97 oe.

De warmteoverdrachtsc2ëfficiënt voor de schone P1Jpen is volgens

de berekening 435 \oT/m oe

De aangenomen

vervuili~g

be~raagt

in totaal 25 • 10-3 W/m2 oe,

bestaande uit 10 .310-.... 2 '\olLm

°c

voor de binnenkant van de

pijpen en 15 . 10- \-T/m oe voor de buiten...1.;:ant.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt voor de vuile pijpen is:

Uvuil = 1 5- = 366

w/m

2 oe.

1 + 25 • 10

435

Het benodigde oppervlak voor de gaskoeler is derhalve:

A= Q =21-,5.10 3 =1,45m2 U • A T 366 • 97 B) Gaskoeler-condensor.(zie tabel 1) De gemiddelde ~T = ~

=

2Q2,l • 10 3

=

58,2 oe.

bSL-

5314 6t_{gem •}

De warmteoverdrachtscoëfficiënt voor schone pijpen is:

U ' = Q = 309,1 • lQ3 _ =446 W/m2 oe

schoon A. Ij T I l , 87 • 58,2

Met dezelfde vervuilingsfactor als voor de gaskoeler wordt

U_vuil = 1 :::

3Q7

W/m2 oe.

1 + 25 • 10-~

446

Het benodigde oppervlak voor de gaskoeler-condensor'is:

A = 309,1 . 10

3

367 • 58,2

Het totaal benodigde oppervlak voor de part~ële condensor

is: gaskoeler 1,45 m

gaskoeler-condensor

14,5'

m2

totaal 15,95 m2

Het beschi~bare oppervlak van de aangenomen warmtewisselaar

is 20, 2 m •

%

!i1I ~ ':' C\! I!-< /É'-!-' I X ~ CJ ~ rj >::: ~(1) (1) ~ (1)(1) Ql 'rl (1)'d rd 0 o ~ ..r:: ·rl +' ro • (1)r-l~ EO! ü .,. (I) Cl)·,..; UO b.O r-l r:::: (1) ·rl·p ~ ~ 'ij til Cl) H t'1 ~o'd (1) ::t 0 H 0 (1).p ~ ,.o~ C!.lr-l G) ü (J) +'0;:>: ~H 'rl p,+, ~ ~ H b.O Cl) ,.0 ·rl ü (J) {-1 0 bJ.)~H ·rl P, QJ ~ 'd+'N r<"\ H !=! o cU C O:>ètl po :> rel ~ ·rl ~ <J.) (J) cU ·rl

..c:

r-l N b.O:> (!)'rl H b.OHC!.l C~p, m(1)p' <:~O in terve.l 112 tot 105 tot

98

tot 89 tot

17

G tot I 60 tot rl 0 t ",al .j- in ~0 t ,. :;) " ro- n \ ' 'J 112 47,5 I

I

1$5

,

42

9

8

4î 89 )0 76 ,. I _)'T, " ₎ 60 :;2,5 ~P;~UJ~;l, 1 ~/1 .. : A 'i.' 1 ,11.6,';1 I , ~ 1 .. i\ I " - I ~ .. ' ) P:(;l~ ' . -5 1,49.10 -5 1,78.10 73,7 . 2,0(3 I ' 61,2 2,24 11 2,40 ti 2,82 11 59,6 ~j,)5 ti 4,72 If 60,0 6,09 11

0

,57

11 54,6 11 ,05 " 309,1 I J I'Il'" ."',.~ .' .L R' c:r.1. 1i.2 ( v C ) 82 2 1 , 31 m 75 1 ,37 I1 60 1,68 11 59 2,85 11 46 4,86 11 30 11,87 ti ~"I 'L ("'ç..I~ ", - I" 78,5 71,5 63,5 52,5 j8 '.~/.1. j' . (."0 In 938 856 940 '1143 1437 5514 0' 02

De cYc..looY'.:..1'1-6

De gasstroom die de partiële condensor verlaat bevat behalve

waterstof en furfurylalcohol ook vloe:i,bare furfurylalcohol

dat door de gas stroom i-TOrdt meegevoerd. Aangenomen is dat 10%

van de hoeveelheid furfurylalcohol door de gasstroom wordt

meegevoerd. Deze druppeltjes ,{orden afgevangen in een cycloon

die berekend is volgens een mo~el in litt. 25.

r / r.

=

3

bri

~

-

.

-

-

--

"t'

~

Fa/F~ =

0,9 -1.-

,J:

h~

,

~

e

j

~ ~ ~ 6~

2

~

.

I

-

1-

l)

'\)( \

=

0, 75 'I h 2, I' I\G

=

0,005 'XV = 0,25

_

~

_ _ . _____

11

3/

De hoeveelheid gas die de cycloon binnen&aat bedraagt 0,85 m sec

met een soortelijk gewicht

t

= 0,119 kg/m3 •

De hoeveelheid vloeistof is !33,3 kg furfuryla1cohol per uur

met een soortelijk gei-Ticht van 1,1285 kg/m3

Indien men aanneemt dat 2.ri = 30 cm. dan is de snelheid Vi:

Vi

=

0,82 •

4

= 12,0 m/sec.

3,14 • 9

.10-2-De berekening van ui geschiedt volgens:

u· = 1 ·

v~ ;~r-IX+{Àg

+

Xv9.{Froh)O, 5Cri/ra) 5/8}b/r i

waarin: dus U· = _-~ Vi Q.,.2. 2,6 u. ~

=

2,76 -= (1 - 0,5 • b/ra)3 =2,6 = 0,99 (geschat) = 133,3/(~060

•

0,119) = 0,364 ='vi/ 2gr

i

=

7,2 1 • 0,0084t 14,5 +

t

0,005 0,75 + 0,25

.

12,0

=

33,2 m/sec.

Voor de radiale snelheid vr geldt: vr = ___ ~Q __ ~_

- 21ïrihi

waarin hi = 1/3 h = 1/3 • 14,5 • ri ~O,725 meter.

Dus _{v r}

=

1,245 m/sec.

=

2,76

De diameter van de deeltjes die volgens Stokes nog net worden

afgescheiden bedraagt:

d s

~

=

V

~~:r4,i-z

'vi

=18 .10

-5

.1,242r:: . 0 ,15 ?_ \ = 1,65

>-vm

(yv ~ (g) Ui (1,1285 - 0,119).(33,2)- J

Het afgescheiden percentage vloeistofdruppeltjes door de cycloon .. ,".

-bedraagt:

waarin ~

100 • (fo - u.

1

~ k-' .g

=

0,1/

(d50/d~)1,5

=

0,1/(20/1,65)

=

0,0024 Het afgescheiden percentage is derhalve:

100 • (0,364 - 0,00241 = 99,7%.

. 0,364

De drukval over de cycloon wordt voor de berekening gesplitst

in een drukval over de inlaat en de uitlaatbuis. De

druk-verliesbijdrage voor de inlaat is:

~

= r· (u· \2

J

1

-

11=

e

r~\",7~

I

1, -

~~ .~; ~z-

J

3,46

De drukverliesbijdrage voor de uitlaat wordt gevonden in een tabel voor ui/vi = 2,76:

~.

_).

=

16

De drukval over de cycloon volgt nu uit:

~p

=

(~i +~e)·~·(g·Vi2= 1~,42'

0,119.(12,0)2

=

167

Njm~

De afmetingen van de cycloon zijn dus: r. = 0,15 m. rl. = 3

.

0,15

=

0,45 m. ba

₌

_0,27

·

0,45 = 0,12 m. h

=

14,5

·

0,15 = 2,18 m. hl = 0,33 • 2,18 = 0,725 m. h 2 = 1,455 .m. r _u = 1,5 • 0,15 = 0,225 m •

Lijst van gebruikt:e symbolen bij de berekening van de cycloon. b = breedte van de tangentiële inlaat opening

d~O= gemiddelde diameter van druppels

d = grensdruppeldiameter volgens Stokes.

FS = oppervlak .

Fr = Froude-getal

g = versnelling door zwaartekracht h = hoogte

ra = straal cylindervormige deel van cycloon

re = straal van de kleinste doorsnede van de uitlaat rl = straal gasuitlaat

u.

= tangentiële snelheid in uitlaat

v~

=

gassnelheid in uitlaat

v

= radiale gassnelheid ~r = inlaatcoëîficiënt

~

:dichtheid = afvangstgetal

v

= viscositeit - 31 -m. m.

~.

mi

sec2•

m.

m.

m. m.

mi

sec.

mi

sec.

mi

sec. kg/ru3 kg/m sec.

).

.4

~g

=

=

=

=

wrijvingsco~ffiGiänt (index g=gas , v=vloeistof)

vloeistofbelading Vru1 het gas

grensbelading in de cycloon

drukvalc6ëfficiënt voor inlaat (e) en uitlaat (i)

De nakoeler

H-'Z

.

In de nakoeler wordt de gecondenseerde furfurylalcohol verder

gekoeld tot 30 oe met water. De hoeveelheid warmte die

daarvoor moe t worden afgevoerd bedraagt 25,8 • 103

vT.

De warmteoverdracl1tscoäfficiënt voor koeling van stoffen

als furfuryla1cohQl met water is volgens litt. 26 100 Btu/hr

sqft oF

=

570 W/~ oC.

Indien het koelwater wordt opgewarmd van 20 - 30 oe dan is

iJ. Tm = 30 - 10 = 18,2 oe.

In 30

10

Het benodingde oppervlak voor de nakoà er is:

A

=

25, 8 .103

=

2,48 m2

570 • 18,2

De hoeveelheid koelwater nodig om de warmte af te voeren is: .

<Pm = ..:...:'2 ....

5~,~8_

.

-=-:'

~1~Or3_-=-=_

=

0,615 kgf sec.

4,2 • 103 • 10

Berekening van de drukval in het systeem~

De drukval over de reactor bedraagt volgens litt 24:

.il..:e.

=

~

• 1

-:-f-

h50 " (1 - E) + 1,75

1

L dp

t.

1

vö:tïp.?

~

waarin V_o

=

1 m/sec.

ê

=

0,5

[

=

100 P

=

10-5 kg/m sec.

=

0,465 kg/m3 = 3,6 • 10-3 m. p

Na invullen vindt men voor de drukval:

Llp

= 2,3 • 10-2 atm.

De drukval over de condensor wordt berekend volgens litt 15.

Aps

=

fs

.

GLD~

• (Nc+ 12 2

.

_{g • De • ({Js} fs

=

2,3

.

10-3 sqft/sqin G$

=

8900 lb/hr sqft Ds

=

1,44 ft 32