Modules methylaminefabriek

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

... H

.

onderwerp: adres: opdrachtdatum :

1

verslagdatum :

A )

(

!l

I

1

3

L

r

fI

f

TUSSENRAPPORT METHYLAMINES . ====~====================== aug. "73.

r.

REAKTIES.

I. gemeten omzettingen van elk van de reagerende stoffen bij één temper

a-..,...

tuur op twee tijdstippen. (lit. 1)

OP basis van deze gegevens én een gepostuleerd kinetiekmodel z~Jn van het onderstaande reaktiesysteem k

l t/m k6 berekend, en zijn reaktorberekeningen bij één temperatuur uitgevoerd.

I +'

CH30H~MMA

+ H

°

k' 2 2 NH 3 MMA +

CH30H~DMA

+ H 0

~ 2 4 DMA +

CH30H~TMA

+ H 20 ~ _{6 .}

3;evenwichtskonstanten voor alle temperaturen tussen 350 en 450 °C.(lit. 2) (-

(

I ' 3.reaktieënthalpiën. (lit. 2. 3)

\

"

~-HII~e·~deze gegevns kunnen in principe evanwichtssamenstellingen bij verschillende temperaturen berekend worden, en kan de reaktor dus als evenwichtsreaktor

_~~~gerekend worden. Voorts kan de eindtemperatuur als funktie van de

begin-() l)/J

I?vtt.

• •

Ó \ temperatuur en de voed~ngssamenstell~ng berekend worden.

Over de kinetiek kan niets gezegd worden omdat de temperatuurafhankelijkheid van de reaktiesnelheidskonstanten k

l tlm k6. niet bekend is.

~bevindingen van de operationele methylamineplant te Delfzijl. Literatuur:

i

,I lJ'nt:d#.:

~

1. Briner e. a. , Helv. Chim. Acta, 1931 , I

2. Issoire e. a. , Bull. Soc. Chim. Fr. , 1960,

.,t

I

kr " !.>

-i}.

L

3

---'3

.

I

~Á

3. H"oudt en Vet, fabrieksvoorontwerp 1972 • iJ

~

Het artikel van Issoire.

---Issoire heeft in een vast-bed reaktor de methylaminereakties op twee manieren onderzocht:

I. met als voeding NH

3 en methylamines (voornamelijk

TMÄ).

2. met als voeding NH

3 en CH30H.

-:i °

"".

: r

Ad 1. Issoire heeft de evemvichtskonstanten van het onderstaande

- - '.-

reaktie-systeem gemeten en thermodynamisch berekend.

'~t c-~I..likr

1. )

~ ..

2MMA~

DMA + NH J, KI=

DMA.NH/~lMA2,

_ . / 2DMA~ HMA +

~

~

NH3

+

TMA~MMA

+ TMA, K 2 = N}IA. TMA/mIA 2 .

DMA, KJ = MMA. DMA/NH

J ' TMA.

Het bleek dat de

therrn

~

~~

,!/~.~}~(~~

.

~

~,~0

~

tv.-~!Ir

~1j~

niet ln overeenstemming was met de ~eting~n.

Wanneer de evenwichtskonstanten van het bovenstaande

reaktiesysteemverge-leken moeten worden met die van het systeem bp de vorige pagina,zijn een

aantal omwerkingen nodig. Gevonden wordt:

, I " , I I / / f ( I

KI= k2·kJ/kl .k4 K2

=

k4· kS1kJ,k6 _{KJ= k .k6/k2 ·kS .}

=

j(';"

J

'ft.;. /

,t',/,,;l'

"i",:: k ..

~

Ik,

K. l",- 6-1:) . "

Het is gebleken dat dé resultaten van de Zwitsers (waarmee k

l t/m \ 6 gevonden

werden) redelijk in overeenstemming zijn met die van Issoire.

~

I

)

,ky.

u)/

~

~ I )

Hierbij wordt opgemerkt, dat de Zwitsers, evenals Issoire in dit stadium, methanol buiten beschouwing lieten. Overigens is het duidelijk dat methanol

t~"O in het kinetiekmodel geen rol speelde: anders zouden de metingen van de

)

'/.

w

V

dY Zwitsers, en die van Issoire geen korrelatie verton~n.

~V:);J-

_vr

'I. Ad 2. Voor de beschomYÎng van

,

_~

y

~'rYy

_~-

-

_{het volgende reaktiesysteem op:} het NH/CHJOH-evem.,rÏcht schrij ft Is soire ..

~,

),L,...w-I

~

l

~

~

,LV-

f

Jd--.kh

~

NH J + CHJ OHz-"" HMA + H20 NH

J + TMA ~ HMA + DMA

2HMA ~ DMA + NH

J

,

.)vi--3~"

De tweede en derde reaktie zijn identiek aan de derde en eerste van Ad I.

Voor deze reakties gelden dus weer KJ respektievelijk Kl .

Voor de methanolreaktie geldt K4

=

MJ:.1A. H

20/NHJ .CH30H.

Het reaktiesysteem is door Issoire gemeten, hetgeen leidt tot een uitdrukking voor K4 als funktie van de temperatuur.

K4 blijkt relatief groot te zijn t.o.V. Kl en KJ' Jt.1v-. 0 ÄH-,_bJ

7

(Bl.Jvoorbeeld 400 C: K.. 0 _I= 4 ,S; K_J=O,IJ; K₄= 4) 2 --~J t'I~ #

k - __

Lr,uS-

rt

~~}S-0/ 1\

Dit betekent, dat het evemvicht van de eerste reaktie tamelijk rechts ligt, m.a.w. dat deze reaktie blijft lopen totdat of de hoeveelheid CHJOH, of de hoeveelheid NH

3 zeer gering is.

Volgens Issoire is nu het stelsel vergelijkingen dat opgelost moet worden om de evenwichtssamenstelling uit te rekenen:

CH

30H + MMA +2DMA +3TMA B

CH 30H + H20 C NH 3DMA/MMA2 KI MMA.DMA/NH₃·TMA K3 MMA.H₂0/NH 3·CH30H= K4 (genormaliseerd) ( I ) (2) (3) (4) (5)

e)~

-I'

y..V

\\--~~~

o( r -:,~rv (6)

\Jo

~?v ~

Issoire geeft een groot aantal samenstellingen berekend en gemeten;'

?;;J~

,

~

~

L

.

J r,..,....' O' .-.A j,( I

Enige daarvan heb ik nagerekend.zie bijlage 1. i~ ~

~j

Daarbij is gevonden dat de door Issoire opgegeven samenstellingen niet voldoen aan zijn eigen vergelijkingen.

Hierbij viel het op, dat de afwijkingen van de uitkomsten van de vergelijkingen

(1) t/m (5) zeer gering waren, en dat de afwijking van de zesde vergelijking

buitengewoon groot was.

Nu zijn er twee overwegingen om te veronderstellen dat Issoire niet het

bovenstaande stelsel maar een ander heeft ,opgelost, namelijk een stelsel

waar methanol niet in de massabalansen voorkomt -een overweging kan zijn dat nagenoeg alle methanol door reaktie verbruikt wordt-, en waar de zesde

vergelijking is geschrapt'. c.0f1

tli\-.

f!..;

~(j-.;)

'tI."-

G..v n-...-~w;/l b...-u"-SW-h <-->,

Ç-<'--->

4.u...rv-De twee bedoelde overwegingen zijn:

--door Issoire worden geen eindkoncentraties methanol en water opgegeven, maar uit grafieken blijkt, dat de koncentratie van water gelijk genomen

wordt aan de bij het begin van de reakties aamvezige methanolkancentratie.

--het artikel is geschreven in 1960. De resultaten zijn dus verkregen op een

tijdstip dat het oml7aarschijnlijk geacht moet worden dat de onderzoekers

de beschikking hadden over een computer. Met de hand is het echter bijzonder

lastig het bedoelde stelsel van zes niet-lineaire vergelijkingen op te lossen~

In dit verb_and is het voorstelbaar dat de onderzoekers de zaat hebben willen

~ vereenvoudigen door het aantal rekenvariabelen met één te verminderen.

Dan blijft echter de vraag hoe de uitkomsten te rijmen zijn wanneer verge-lijking (6) wèl in de beschouwing 'l7ordt betrokken.

/ - ~ Deze vraag is vooral brandend omdat de meetresultaten yan Issoire ~n

overeen-/}' i f ,( C" ....,-.

~ ,~ 0 ) stemming zijn met zijn berekeningen;

~

,

ty1

- - -

-~ Omdat de veronderstelling dat methanol aan het eind van de reaktie opgebruikt

is redelijk lijkt, lijkt de konklusie gerechtvaardigd dat KI en K3 gQed zijn,

maar dat aan K4 getwijfeld moet worden. Voor deze twijfel bestaan trouwens

meerd,ere gronden.

Ä ,

~

k •

....J/~~

ej=

cP~

k,

~

~Ik heb het stelsel met vijf vergelijkingen en vijf onbekenden doorgerekend, en

aldus uitkomsten verkregen die slechts enkele procenten afwijken van die van

J

\1:

Issoire. Waarschijnlijk,

i~

,dit het gevolg van het gebruik van een andere

~

r

rekenmethode.

I ) \

~

.

.

"

.

'

Als in deze vergelijkingen de koncentraties zijn gedefinieerd als bulk~ koncentraties kan thermodynamisch afgeleid worden dat bij evenwicht geldt:

K = ki/k2J kj.NH_{3 ,C}H

30H

=

ki,MMA,H20

Omdat het kinetiekmodel de beschouwde reaktie nulde orde in water en methanol veronderstelt, wordt de vergelijking: k

l·NB3

=

k2,MMA.

Aangezien dus k} en k₂ niet gelijk zijn aan ki en ki kan over de evenwichts-konstante ~niets gezegd worden op basis van de kinetiekberekeni~gen.

1it~Ii!t!!!!IQ!!Q~I~Q~~_!!i!i!E_Q~_!;~I.!!E~Ei!!;~~E~fh~~~~!ii~!:;~i~_.~~~7~~_E~~l<:~~~:

snelheidskonstanten,

Er blijkt één artikel te zijn dat gerichte informatie verschaft over het gezochte verband: het "spaanse" artikel uit Delfzijl,x)

In dit artikel worden de snelheidsvergelijkingen voor de vorming van de verschillende methylamines gegeven in de vorm: ( ( .... ",)( '/vu-vh -"- ,vKJ ?)

Hierin is x=MMA, DMA, of TMA,

M/A=voedingsverhouding NH 3/CH3QH

(

ry(C

'

₁

0

(x)

'1

(x) =p+qx, c l,c2=konstanten,

b--

.... ;;../)

~r ~V'-, é~..,... .~..-t.,. 0-~/G.-..

Uit de vergelijking blijkt dat c

2 een gemodificeerde Arrheniuskonstante is.

Omdat de door Costa NovelIa opgestelde vergelijkingen een andere vorm hebben dan de vergelijkingen die in ons kinetiekmodel gehanteerd worden, is het de vraag of de resultaten van de Spanjaarden toepasbaar zijn op de door ons ge-vonden reaktiesnelheidskonstanten.

De konstante cl is namelijk nogal eens "crude" konstante.

Wanneer wij bijvoorbeeld schrijven: dMMA

dt .

dan blijkt, dat Cl een aantal termen bevat, die moeilijk van elkaar geschei-den kunnen worgeschei-den.

Nadere studie zal de waarde van de vergelijkingen van Costa NovelIa aan het licht moeten brengen; tot op heden heeft de tijd voor een diepgaander studie ontbroken.

i .. l t ' \0

,

In Delfzijl is gekonstateerd dat de omzetting van methanol bij een

voedings-percentage van ongeveer 15% vrijwel volledig· is.

De methanol doorslag 1S dan namelijk kleiner dan 2%.

Wanneer de belas ting ,vord t opgevoerd neemt di t percentage zeer sne 1 toe.

Uit deze gegevens kunnen een aantal konklusies betreffende de kinetiek getrokken ,vorden.

Ten eerste verlenen deze waarnemingen steun aan de opvatting dat methanol geen rol speelt in de kinetiek, althans niet bij omzetting groter dan enkele procenten. Een eerste orde kinetiek is in ieder geval hoogst onwaarschijnlijk. Ten tweede kunnen de waarnemingen een adstruktie zijn van het idee dat de reaktie doorgaat totdat de aanwezige methanol opgebruikt is. De grote door-slag bij een grotere belasting kan een gevolg zijn van het niet bereieken van het chemisch evenwicht.

Een eventuele kwantitatieve bevestiging van de juistheid van de

evemvichts-beschrijving van Issoire kan niet gegeven worden omdat de p~ecieze MMA-opbrengsten

van de methylaminefabriek niet bekend zijn~ en omdat Issoire zelf geen cijfers

geeft over de evenwichtskoncentratie van methanol.

Overigens kloppen de evenwichtsberekeningen van Issoire volgens "Akzo1f

met de produkten uit hun fabriek. Gezien het op de vorige pagina beschreven

"Delftse" rekenresultaat, rijst de vraag hoe de berekeningen in Delfzijl zijn opgezet.

Het kinetiekmodel

---Door Woudt en Vet 1S een kinetiekmodel opgesteld waarbij werd aangenomen, dat alle reakties eerste orde zijn in ammoniak en alle amines, en nulde orde in water en methanol.

Op grond van de cijfers over de in Delfzijl. gekonstateerde methanoldoorslag

?

is dit model zeker niet houdbaar voor methanolpercentages beneden 2%.

Het model zal dus in deze zin aangepast moeten worden.

Een belangrijke adstruktie voor de met het onderhavige model gevonden reaktie-snelheidskonstanten is dat uit dezen evenwichtskonstanten kunnen worden berekend die in overeenstemming Z1Jn met de door Issoire voor het systeem NH

3/amines

gevonden ,vaarden voor KJ en K3'

Dit gaat echter niet op voor de reaktie:

kt

NH₃ + CH30H~ MMA + _{H20 ,}

k 2

waarvan de evenwichtskonstante is K = _{MMA.H20/NH3 ,CH30H.}

_---I

,I TUSSENRAPPORT METHYLAMINES. ========================== 11. OPTIMALISERING FABRIEK. ~~~~~!~E~~~_E!~g!~~!~~!!

De gebruikte modules en subroutines z~Jn, ten opzichte van de stand van

zaken beschreven in het verslag van het fabrieksvoorontwerp, op een aan-tal punten gewijzigd en/of uitgebreid.

1. module FIXBED.

Doordat de kinetiekvergelijkingen en een differentiaalvergelijking voor de temperatuur simultaan worden geIntegreerd, is de module FIXBED in beginsel toegankelijk gemaakt voor adiabatische operatie.

Omdat gegevens over de temperatuurafhankelijkheid van de reaktiesnel-heidskonstanten ontbraken, is de module uitgetest alsof deze afhankelijk-heid geen rol speelt.

Aangezien op deze wijze de resulterende evenwichtssamenstelling niet geheel juist zal zijn, zal ook het gevonden temperatuurprofiel over de reaktor onnauwkeurig zijn.

Vermoedelijk zullen de afwijkingen echter binnen de grenzen der redelijk-heid liggen.

Daarom zal met deze uitbreiding te zijner tijd de invloed van een cold shot -bijvoorbeeld van NH

3-, redelijk gesimuleerd kunnen worden.

2. module DESTIL.

Om het destillatieprogramma binnen het algemene flowsheetprogramma te laten funktioneren bleken aanzienlijke veranderingen nodig.

De belangrijkste verandering bestaat erin dat de berekeningen niet meer geInitialiseerd worden met door de gebruiker ingelezen getallen,maar dat deze getallen door DESTIL zelf gegenereerd worden uit stroom- en unit-specifikaties.

Voorts id DESTIL uitgebreid met een aanroep naar de nieuwgeschreven subroutine AZEOTR. Hierdoor is het mogelijk geworden de NH

3

/TMA-azeo-troop te verva~gen door een n~euwe komponent met de fysische

eigen-schappen van ammoniak.

Tenslotte zijn een aantal kleine, maar principiële fouten uit het

programma gehaald, ~s de uitvoer ingrijpend gewijzigd, en z~Jn een

aantal extra features ingebouwd. Deze betreffen vooral inputchecks en foutmeldingen.

I

"',

')

De dimensionering van de scheidingstrein van een methylamineplant wordt primair bepaald door het produktenpakket uit de reaktor.

Ook de warmteëkonomie van het proces ~s in hoge mate afhankelijk van het reaktorbedrijf, met name wanneer de warmteinhoud van de produkt-stroom wordt benut om de reaktorvoeding te verwarffien.

Op grond van deze overwegingen lijkt het zinvol ore de methylamine-fabriek in twee fasen te optimaliseren: eerst de reaktor afzonderlijk, en vervolgens de scheidingstrein. t rv...,JN\." \

Onder optimaliseren van de reaktor wordt hier verstaan: het vinden t;

van de voeding&specifikaties (temperatuur en samenstelling) die leiden

tot de

JIle

ts-

~

;~~

selijke

samenstelling van de produktstroom.\..,

i).\.-u...~

h-,..I

·~::.~.A

...

-

...

I.

Aldus geformuleerd blijft de verblijf tijd van de reaktor buiten be-schouwing.Dit is ook plausibel omdat we weten dat de ekonomie van het hele methylamineproces zodanig ~s, dat de reaktor qua dimensionering optimaal wordt bedreven indien het chemische evenwicht benaderd wordt. (ekonomische konklusie Woudt en Vet.)

Met name voor de scheidingstrein is de vraag "wat z~Jn de begrenzingen van de produktstroom?" van belang. Met begrenzingen wordt hier bedoeld: de minimale en maximale hoeveelheden van elk van de produkten. » 'Y"V~

,"(,..,..<.

Deze vraag kan omgewerkt worden tot het verzinnen van de mogelijke wensen ten aanzien van de samenstelling van de produktstroom; de optimalisering is dan een kwestie van het vinden van de bij elk van deze wensen horende voeding.

A priori kan gesteld worden dat deze voeding nooit DMA zal bevatten om-dat dit de meest waardevolle komponent is. Verder lijkt het in ieder geval interessant om de invloed van de hoeveelheid ~MA na te gaan. Het oog kan hierbij gericht zijn op maximale of minimale TMAproduktie, en

j\,I'~

.. maximale

DMAproduktie.

~

Voorts is het van belang te weten hoe de

voedings-\.Vv· \ ' '

J! ",

~

,) specifikaties veranderen als een cold shot wordt toegepast, of als de

.,

.)1

kapaciteit van de fabriek wordt uitgebreid.

Er zijn twee alternatieve schakelingen om de produkt en van een methyl-aminereaktor te scheiden getekend in de figuren 1 en 2. (zie volgende pagina. )

Figuur representeert het alternatief van Woudt en Vet, figuur 2 dat van de Leonard-plant.

(

•

~vr

"

Op dit moment kan hieraan nog niet door ons gerekend worden.

Frenkel bekijkt deze zaak echter in het kader van zijn fabrieksvooront-werp. Overigens kennen wij wel de procesomstandigheden van de kolom in Delfzij 1.

Nri;

TMA ~~{ NH:s/amineS TMA MMA

bMA

l,

Om de bovenstaande scheidingsalternatieven te kunnen vergelijken, ~s het

allereerst nodig om de kosten van één kolom te kennen als funktie van de uitkomsten van het destillatieprograrnrna.

''''17'''''_

I~ t-"~·"-·- ~A...-Daarna dient elke kolom geoptimaliseerd te worden. Variabelen zijn hier:

het aantal schotels, de refluxverhouding, de stoomko'sten,(de plaats en de

temperatuur van de voeding,) en de door de gebruiker opgegeven specifikaties

van de top- en/ of bodemstroom. ,.1.,,* .{J!0-•. <,,,-,,,.,A.... d.,.f..}

Het is duidelijk dat ook de detektie van eventuele bottlenecks aandacht verdient; vooral omdat de verschillende kolomvoedingen aanzienlijke variaties in de samenstelling kunnen vertonen, afhankelijk van het doel van de produktie van de gehele plant.

Tot slot zullen de scheidingsalternatieven bekeken moeten worden ~n de

(

•

Ee~~f~t:k~~neA~~n het momenteel in gebruik zijnde flowschema bevindt

zich op de ~e pagina. Een aantalonaantrekkelijkheden daarvan

die voor verbetering vatbaar zijn-., komen hieronder kort ter diskussie.

I. Een volledige destillatieve scheiding van NH

3 en TMA is onekonomisch wanneer vervolgens alle NH

3, en een groot deel van de TMA worden gere-cirkuleerd. Het voorstel is om vóór DEST3 een splitter in te bouwen. 2. De samenstelling van de produktstroom van de reaktor is zodanig, dat niet alle TMA in de NH

3/TMA-azeotroop "opgeborgen" kan worden. Het voorstel is om na de reaktor zonodig NH

3 bij te mengen en niet, zoals Woudt en Vet hebben gedaan, de reaktietijd te bekorten.

3. De warmteëkonomie van het proces heeft te weinig aandacht gekregen. Het voorstel is om de reaktorvoeding op te warmen met de produktstroom x)

(temp. verschil=80oC.), en om voorts de warmteinhoud van de bodemstroom o

van DESTI (T=200 C,

6

=12,5 mol/s=I/5 v.d. reaktorstroom) te benutten.

m

BLOKSCHEMA METHYLAMINEFABRIEK

y

\

~

J;

₆

\

rt>i

HE 1

\-!>-l

HE 2

\-I>l

RE AK

f!>-i

I TER

\-!>-l

CO NO

~OES

T 1

--9

ç-"

'-1 POMP !-t>iEVAP I ~OEST 3

?

<-_e, L-tOEST 2

\

~

t

\

~

!

'-<., I IEXPA I

I

<1...-

ISPLIT 4 ' ' ' - I

-~

< ]

-- -- -- -- .

~ ~

w

1:

~

'0

/ \ EVAP 2 MOEST

41

... \

r~

,>

/'~ SPLIT 3

EXPA2~HE

31

~

<]

~PLI

_{T 2}

_r---"

ê MIX

t

~ ... i , .. A ~ Feed to plClnt

u Stream trom pI ant

---r

L

; I

t

-i I. IIa. IIh. n I . IV. V. INHOUD. SAMENVATTING. INLEIDING.

HET FLOWS CHEr-L'\.

HET VERZAf'fELEN EN VEm·JBRKEN VÀN GEGEVENS, NODIG VOOR HET DOORREKENEN VAN EEN METHYLAHINEFABRIEK.

BESCHRIJVn~G VAN EEN COHPUTERPROGRAl1HA VOOR DE BEREKENING

VAN REAKTIESNEUIEIDSKGNSTANTEN UIT OMZETTINGSCIJFERS •

HODlJLES EN SUBROUTINES.

BESCHRIJVING VAN EEN COMI'UTERPROGRl\.MMA VOOR

L

r

r:

r:

n

SAMENVATTING. ===::=========::=

Aan de ontwikkeling van een algemeen toepasbaar flowsheet

pro-granullél ,verd meegewerkt door het schrijven of uit.breiden van

een aantal progranuna' s voor unit operations en aanverwante

be.-rekeningen.

De module bibliotheek \verd uitgebreid met routines voor

bere-keningen van vast-bed reaktoren, kondensors en verdampers, en

destillatiekolomnen. Voorts werd een vaporratioberekening

op-gezet en ,verd een progranuna geschreven waarmee uit bekende

omzettingscijfers reaktiesnelheidskonstanten gegenereerd worden.

De programma's z~Jn uitgetest aan de hand van een bestaand

;L

I

:r

:[ . , I

!L

!

Il'

I .

!

[-I

.

I

I

r

I

r

n

1. INLEIDING.

In het kader van het fabrieksvoorontwerp werd de opdracht

verstrekt om berekeningsvoorschriften voor unit operaties

te programmeren, en deze progra!illna I s te toetsen aan een

voor-beeld: het proces schema van een methylaminefabriek.

De geprogranuneerde bcrekenings voorschriften, modules genaamd,

dienden aan een tweetal voorwaarden te voldoen:

- zij moeten universeel, dat wil zeggen probleemonafhankelijk,

toepasbaar zijn,

-zij dienen te "passen" ~n de opzet van een door de T.H. ln

samenv.1erking met het ingenieursbureau "COHP1UMO" ontwikkeld

programmapakket t.b.v. het doorrekenen van processche.ma's.

Voor het doorrekenen van een methylaminefabriek ,,,erd uit[;egaan van het fabrieksvooron twerp van Houd t en Vel.

Dit ontwerp werd allereerst verwerkt tot een blokschema dat een realj seerbare fabriek representeert.

Voor dit doel werden enige units toegevoegd en werden recyle-stromen daadwerkelijk aan units gekoppeld. Voorts werden enige

minder relevante units weggelaten.

Op basis van het aldus tot stand gekomen blokschema werd

loopfinding (met de methode V;ln Tiernan), en looptearing (111et

de methode van Lee en Rudd) uitgevoerd. De resultaten daarvan zijn als computeruitvoer bij dit verslag gevoegd.

Voorts ,,,erden de nooclzakel ijke chemische en fysische gegevens verzameld, en zonodig verwerkt tot een voor de verschillende modules bruikbare vorm.

Tevens '\1erd de programmabibliotheek met een aantal moàc.:les

ui tgebreid.

De destillatieroutine is, gez~en de omvang van de verrichte

r L _

r

fr

; ,

ir

1 ,

r

: i , ,

';n

_{~l ~}

n

1l.7 "/ , 17-{.-·) , td. Ç<-,~r:", / ..; tA~·.l."",~ ~;I.(,<o~îi) ("".Nlti -J

IIa. HET FLOHSCHEH..'\..

Teneinde een eenvoudige voorstelling te verkrijgen van de

koppe-lingen tussen de verschillende units van een methylaminefabriek,

is het oorspronkelijke flO\.Jschema van Woudt en Vet ven.Jerkt tot

een blokschema.

Door Woudt en Vet zelf z~Jn dergelijke schema' s gehanteerd als

voorstellingen van de massa- en warmtestromen van de fabriek.

(Men zie bijlage 1)

Ten opzichte van de schema's van Woudt en Vet vertoont ons

blok-schema een aantal verschillen:

- de mengcrs MI, M2, M3 en M4 zijn vervangen door één unit, MIX;

- de parti~le kondensor UlO is vervangen door een totale

konden-sor, en de betrekkelijk nutteloze units HII en HI2 zijn

wegge-gelaten;

- de units li6 en H7 zijn samengevoegd tot eén unit, COND;

de vla:cmtcwÏf>se laars H 16 en H21 zij n vervangen door EVAPI en EVAP2.

Voor het overige is het processchema ongewijzigd gebleven, hetgeen

betekent dat in dit stadium nog geen aandacht ~s geschonken aan de

hT3nnte-ekonomie van het proces.

f

_'.,t....

7 r ) '

liet blokschema bestaat, afgr van de iteratie-unit, uit J8 units

cm 43 stromen. Er zijn dric' rE:cyc2:estromell, rl, rÎ. en r3.

De met een $: ge,i1cJ:kte stromen komen in alle loops voor •

In één van deze stromen moet dus de iteratie-unit geplaatst worden.

Door het programma EXECI wordt lTER altijd geplaatst in de laatste

daarvoor in aanmerking komende stroom. In het blokschema is deze

aangegeven met

:1ldL

/

'

{ ...

i'''' '-'UI t

uit is tevens de stroom die , evenals alle stromen die in het blokschema

zijn aangegeven als "feed to plant',' geschat moet \-!orden.

~~ ~

~

l .

r

~

'-

.

REKENEN VAN EEN METHYLANINEFABRIEK.

Voor de meeste fysische gegevens kon met vrucht geput worden uit

het voorontwerp van Woudt en Vet. Dit was niet het geval voor

gegevens die nodig bleken voor het berekenen van units die door

Woud t en Vet vIerden opgevat als b lack boxes, en voor gegevens

die onjuist bleken.

Tot de eers te katagoriel behoren de vloeis tof / damp evemáchtsg

e-gevens van alle komponenten, tot de t'veede o.a. de samenst.elling

van de ammoniak/LM.A. azeotroop. Het blijkt namelijk dat deze

azeotroop bij de proceskondities geen 13, maar 18 %

trimethyl-amine bevat.

Voorts bleek dat Woudt en Vet de reaktiekonstanten foutief

bere-kend hadden, een gevolg van een onjuiste uitwerking van het

kine-tiekmodel.

De reaktievergelijkingen luiden:

kj NH 3 +CH30H;zI~tHXA+H20

MMA+CH30H~

~

DHA+H20

k5 DMA+CH OH--=:::-n1A+H 0 3 "'--k6 2

De reaktie \vordt (pseudo-)nulde orde in methanol en eerste orde

~n ammoniak verondersteld. Als alle reakties voorts eerste orde in alle amines en nulde orde in water 'vorden gedacht, luiden de

snelheidsvergelijkingen: dNH3

=

-kl

.N

H3+k2.~1MA

.

dt dMl'-1A d t kJ. NH 3 -(k2+k?) .1'11'·1A+k4. DMA

d~r:=

k3 .MI'1A-(k4+kS) • DNA+k6. TMA

dTMA

dt k5 "DHA-k6. THA

Abusievelijk Herd de eerste vergelijking door Woudt en Vet omge-'verkt tot

Voor de vormingssne.lheid van de methylamines werden analoge

n

n

Bij deze om\"erkingen is er steeds vanuit gegaan dat geldt:

(NH

3+ MMA)b eg1n . = (NH 3 +MHA) evenW1C t . h . Di t is onjuis t

~kbalans

Voor het geval

omdat op elk moment voldaan moet worden aan de

over de reaktor.

aan het begin van de reaktie geen amines aanwezig

zlJn luidt deze balans:

(NH₃)b _eg1n . (NH +MMA+DMA+TMA) .

3 t

Wanneer het door Woudt en Vet geponeerde stelsel vergelijkingen

ver-laten moet worden, is het helaas niet meer mogelijk de

snelheidsver-gelijkingen analytisch te integreren.

Dit betekent dat het ook niet meer mogelijk lS om reaktiekonstanten

te berekenen op de wijze van Woudt en Vet.

Om deze reden is besloten een computerprogranwa le schrijven waarmee

reaktiekonstanten uit praktische omzettingscijfers berekend kunnen

1 - - - - - - -I

l

L

[

~

L

L

L

C

f

1

n

n

n

n

r:

L

r

, !

r

'

l

r ' r '

L

Iv..,..r

,~<.(' r "

~

W

~

l

~" ,Jr. Vf'"

n

~

\

n

'\)~

VS·

(

r~

r

.- . ""'>7/'"- - •. - ... -

.'-VAN REAKTIESNELHEIDSKONSTANTEN UIT OMZETTINGSCIJFERS.

---

-

---Opmerking vooraf:

Bij· het schrijven van het programma is oven\Togen dat de bedoelde

berekeningen tamelij k frek\\Tent voorkomen. Om deze reden is de

opzet van het programma zodanig dat dezelfde berekeningen voor

andere reaktiesystemen kunnen worden uitgevoerd zonder dat

daar-voor he t programma ge~vij zigd hoef t te worden.

Wanneer in een reaktor ~~n of meer chemische reakties verlopen,

en ~\Taarbij n komponenten in hoeveelheden yl ,y2, ... yn aam\Tezig

zijn, kan het reaktiesysteem bij isotherme operatie beschreven

worden door n differentiaalvergelijkingen van de vorm:

d~!_ _{f I (y 1 ,y 2 , .... yn , t)} dt ?y2

_lw

r ~ f 2 ( y 1 ,y 2 , . . . . yn , t) dt

~

cv

'1'\}

'"

\

\ dyn

)

dt f n ( y 1 , Y 2 , .... yn , t) clyi

De differentiaalvergelijkingen

cit-

= fi(yl ,y2, .. yi .. yn,t) zjjn de

~vt·

matematische voorstelling van de massahalans voor komponent i; de

funkties

t

I

,{2, . .. .. ~n representeren tezamen het kinetisch model.~~~

~@en reak-tor op cJk tijdstip voldaan moet-worden.aan

~ de massahalanse~

n

Het berekenen van konversies , en dus

. /

---ook van omzettingscijfers, in principe een kwestie van het

simul-taan oplossen van het bovenbeschreven stelsel

differentiaalverge-lijkingen met de bijbehorende begin- en randvoorwaarden.

Terzijde zij opgemerkt dat hier uitsluitend sprake is van eerste

orde differentiaalvergelijkingen. Als echter in een

kinetiekverge-lijking hogere orde differentiaalquoti~nten voorkomen, kan de

oorspr.onkelijke vergelijking a I tijd door een eenvoud ige Bubs ti tu tie

omgewerkt worden tot twee simultnne vergelijkingen waarvan de orde

6.6n lager 1.S.

•. f ).~~..,~_ ';M..oc, .... __ ••. ""-',... • I l _ L , I

I

U-i

_!

r'

Wanneer de reaktiesnelheidskonstanten -dat zijn de numerieke

koëf-ficiënten van de funkties fi ,f2, .... fn- niet bekend zijn, kunnen

deze berekend worden wanneer de uitkomsten van het stelsel

snel-heidsvergelijkingen op een aantal verschillende tijdstippen w~l bekend zijn.

Dan iminers kan het verloop van de hoeveelheden van de verschillende

.

komponenten met beschreven l-lorden met polynomen die

dezelf-de termen bevatten al fi ,f2, ... ""fn.

De uitkomsten van de polyn men en de diff~rentiaalvergelijkingen

stemmen slechts dan overeen wanneer de./ /numerieke koëfficiënten in

/

de korresponderende vergelijkingo/"gelijk zijn.

Gegevep de oms tandigheid dat má een digi tà Ie machine l-lord t gel-lerkt,

ligt het voor de hand een iteratieve rekenmetode te verzinnen .

• -1'

,,-Gekozen is voor een minim;:>.lisatieprocedure.

Het totale rekenschema is als volgt.

Eerst worden (hypotetische) omzettingscijfers llerekend op basis

van geschatte k's; vervolgens worden de berekende omzettingen

ver-geleken met uit de literatu~r bekende praktijkcijfers.

Hierna verandert het programma de geschatte k's éé.n voor één

znda-nig, dat de som van de h,radraten van de verschillen tussen de

hypo-tetische en praktische omzettingscijfers minimaal wordt.

Voor de integratie van de snelheidsvergelijkingen maakt het

pro-gramma gebruik van een FORTRAN-S.S.P';\outine, de subroutine DHPCG.

Deze integratieprocedure, die tevens wordt gebruikt voor de

bere-kening van vast-bed reaktoren, verandert zelf de stapgrootte indien

niet aan z~kere, vooraf vast te stellen, nauwkeurigheidskriteria

wordt voldaan.

Een tweede voordeel van deze subroutine is dat de te integreren

vergelijkingen, in casu de snelheidsvergelijkingen, in een aparte,

externe subroutine moeten worden gegeven. Dit betekent dat voor

het duorrekenen van alternaJ-j~lTe reaktiesystemen slechts een

ge-ringe ingreep in het programma noodzakelijk ~s.

De subroutine DHPCG is in principe niet aan beperkingen onderhevig

ten aanzien van het aantal diff. vergelijkingen, of de vorm van de

funkties fl,f2, ... fn. Geeist wordt slechts dat de vergelijkingen

eerste orde zijn.

H) betekent: Scientific Subroutine Package, een biblioteek

-... v~

;>0 ::J

-9.

/

'7 1"/' ~ -'"> ~ 0< V~< I

~

<

r-<f'

~

~

1("- .. I

\ I

( ,

(

~

f

1

l J

U

IJ

n

n

o

~]

~

1

'1

LJ

n

n

n

[

[

'

[

r

f '

L

r:

I

'

!

'

r

'

-L

f'

:

.

"

L

r

l t

l

0

n

n

, )

l

f'

IV. MODULES EN SUBROUTINES.

', ...

T

-p-S"

"'\i

=======================

De modulebibliotheek werd, behalve IDet een destillatieroutine,

uitgebreid IDet de module "fixbed". Zoals eerder is opgemerkt

is de berekeningswijze van omzettingen in essentie identiek aan

die van het snelheidskonstanten genererend progrannna. Door de

module worden tevens enkele dimensies van vast-bed reaktoren

uitgevoerd.

De module "mixer" werd uitgebreid.

Onder gebruikmaking van het beginsel van een automatisch

bestuur-de klep vlerd het mogelijk om één der ingaande stromen te

bereke-nen wanneer de massa van de uitgaande stroom is gegeven.

Op deze wijze kunnen flowsheets zelfregulerend gemaakt worden

1n de zin dat in principe altijd aan de makromassabalans van een

loop kan \'JOrden vo ldaan.

Voorts is een vaporratio-berekening 0P8ezet.

Met de subroutine "equilg" kunnen de damp- en

vloeistofsamenstel-lingen van elke stroom op basis van stroom- en

komponentspecifika-ties berekend worden.

Hiervan kan gebruik gemaakt worden om een splijtverhouding 1n een

kondensor of verdamper uit te rekenen.

Verder kan gekontroleerd worden of in units waar geen faseovergangen

mogen voorkomen, deze ook inderdaad achtenvege blijven.

De modules "condns" en "evapo", die zich overigens nagenoeg, 1n

een dunmystadium bevonden, zijn herschreven. De essentiële

veran-dering is dat de te verdampen of te kondenseren hoeveelheden van

verschillende komponenten nu niet langer uit grafieken vlorden

ge-schat, maar dat: deze worden be'rekend met behulp van dauw- en

kook-puntberekeningen.

De module "eva~ol\ kan nu bovendien twee ~e berekeni

ngs-routes volgen: ten eerste kan berekend worden hoeveel stoom nodig

is om een bepaalde hoeveelheid van een processtroom te verdampen;

ten tweede kan uitgerekend worden hoeveel stloom gemaakt kan worden

door benutting van de warmteinhoud van een processtroom.

Op de volgende pagin1's zullen de verschillende modules nader worden

( -I

l

J i Ir I, I (

i

i

(

I,

i

I I I Ir , I ( (

!

!

i

i

(

I

;

I I r 1 't I

I

l

J

,

I

'

-

1

!

l t

11

1

Hieronder volgt een beschrijving van de berekeningen en

invoer-gegevens van de modules FIXBED, MIXER, SPLITT, EVACON en HEEXI,

en van de subroutine EQUILG.

Bij elke beschrijving is een stroomschema gevoegd.

Module MIXER.

In de module MIXER worden de totale flO\v, samenstelling en

tempera-tuur van een menger die een willekeurig aantal invoerstromen kan

hebben, berekend.

Deze invoerstromen moeten volledig gespecificeerd ZlJn, behalve

ln het geval de totale flow van één van deze stromen afhankelijk

H van de totale flow van de ui tvoers troom. In dat gtval - \vaarbij

de menger opgevat kan worden als een unit met een automatisch

bestuurbare klep- moet de totale flO\v van de uitgaande stroom door

de gebruiker \vorden opgegeven. Tevens dient dali de stroom die

ge-regeld wordt als het ware gemerkt te worden. Dit geschiedt door

de 9de specifikatie een negatieve waarde te geven. Dit is nodig

omdat de totale flow van deze stroom bij elke flowsheetiteratie

de waarde nul moet krijgen.

MIXER vraagt geen andere invoergegevens dan stroomgegevens; er

wordt dus geen gebruik gemaakt van unitspecifikaties.

De volgorde van de moduleberekeningen is zichtbé\ar in het

moàule-s trooms cherna.

Module SPLITT.

De enige aktie van de module SPLITT is dat dc. invoerstroom met

behulp van een splitfaktor in tweeen gedeeld wordt.

De splitfaktor komt de module binnen via de spccm-tabel(positie 1.)

I Als geen splitfaktor is opgegeven, berekent SPLITT de totale flow

1

~ A\

~

t

I

n

Ut

V

v~

\

van de t\\7eede uitgaande stroom uit de invoerstroom en de totale flow

van de eerste uitgaande stroom. Deze dient dan uiteraard vooraf

op-~

gegeven te worden.

I

~

Ir

~;;

-11

JI'

31.

1

!i

" \ (ptJ Module FIXBED.

In de module FIXBED worden berekeningBn uitgevoerd voor een kataly-tische vast-bed buisreaktor, die onder isotherme kondities werkt. De essentie van de berekeningen is de numerieke integratie van de kinetiekvergelijkingen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de standaard subroutine DHPCG.

De kinetiekvergelijkingen moeten door de gebruiker worden gegeven in een "bijwagen" van DHPCG: de subroutine FCT.

Aangezien elk reaktiemodel probleemafhankelijk is, ~s ook FCT dat. Hoewel dit zeker gezien kan worden als een nadeel binnen een univer-seel programmasy3teem, staat daar tegenover dat elk willekeurig ander reaktiemodel eenvoudig kan worden ingevoerd zonder veranderingen in FIXBED of DHPCG.

De voor de integratieprocedure benodigde gegevens zijn: - de volledig gespecificeerde reaktorvoeding,

- de onder- en hovengrens van het integratie-interval, (~J..o<J\

-c'

- de begimvaarde voor de stapgr.ootte,

- .de maximale absolute fout,

- een kodegetal om eventueel de berekeningen te termineren (dit getal is niet van belang; altijd wordt nul ingelezen),

- het aantal differentiaalvergelijkingen, - de differentiaalvergelijkingen z~lf,

- de reaktiesnelheidskonstanten.

De specifikaties van de reaktorvoeding komen FIXBED binnen v~a COHHON

/STREMI/ , de realctiesnelheidskonstanten \vorden in subroutine FYSPRO

ingelezen en v~a een speciale common area (COHl'fON/KIN/) doorgegeven aan FIX3 ED en FCT, en de parameters van de integratieprocedure \vorden door--gegeven op de eerste zes plaatsen van de specmtabel.

Een extra feature van de module FIXBED is dat de snelheidskonstanten

~n verschillende dimensies gegeven kunnen worden, namelijk in I/sec en in m3/kg.kat/sec.

Wanneel~ dit laatste het geval is moet aan SPECM(15) de waarde 2 gegeven worden. In dat geval worden de snelheidskonstanten in de init fase van de module omgerekend. A'ls in COi''fiv10N/KIN/ geen k' s maar kOO' s en E a' s gegeven zijn, \vorden - eveneens in de i.nit fase - k' s berekend. Het aantal te berekenen k's moet worden ingevuld in SPECM(14).

f

-

- - ( 1

I

L j ( , I ( 1 I . 1 ,

f

1

[ 1

l J

f1

1

~l

o

fl

n

n

I r"""~'

..

r'·'-,.. .... ;~~· I L, \ l J r

'

I

r ' I l , ; r ' ! I 'l )

I

,n

iG

; i )

r~

\

Nadat de integratieprocedure 1S voltooid wordt het volume, de lengte

en de breedte van de reaktor uitgerekend.

Hiervoor meoten gegeven zijn:

- de bedporositeit, ~

het soortelijk gewicht van de katalysator, )

- de lengte/breedteverhouding van de reaktor.

~

Deze gegevens worden aan FIXBED doorgegeven op de plaatsen 7,8 en 9

van de specm-tabel.

Ten slotte wordt de enthalpiebalans over de reaktor opgelost, waarmee

de hoeveelheid aan- of af te voeren warmte wordt berekend.

Module HEEX1.

In de module HEEX1 worden berekeningen uitgevoerd voor een

warmtewisse-laar met twee invoerstromen (1 en 2), en twee uitvoerstromen (3 en 4).

De invoerstromen moeten volledig gespecificeerd zijn.

Voorts moet de temperatuur van stroom 3 bekend z1Jn.

De temperatuur van stroom 4 wordt dan berekend door iteratief de warmte

-balans op te lossen. Bij konvergentie wordt vervolgens het logaritmisch

temperatuurgemiddelde, en UxA bepaald.

Ingeval van divergentie (het kriterium hiervoor 1S dat het aantal

itera-ties de 20 overschrijdt) worden de berekeningen beeindigd.

De module vraagt geen unitspecifikaties. Twee van deze specifikaties

worden w~l gebruikt om informatie over te dragen van de calcul naar de output fase.

Hoe,,,el dat op dit moment nog niet het geval is, is het duidelijk dat

het nuttig 1S de module uit te rusten met een <lantal

berekeningsalter-natieven. Zoals de berekeningen nu zijn opgezet zijn er zes

reken-grootheden: vier temperaturen, de totale flow van de utilitystroom,

en UxA. Steeds zijn vier van deze grootheden onafhankelijk en twee

af-hankelijk. Dit betekent dat er nog een aantal andere kombinaties dan

l, r 1 L

1

U

o

n

n

[1

~

r

l

n

_lJ

I'

! : I : l i n I , ,.' r : I rl I l J

[1

l )

r

Module EVACON.

EVACON kan gebruikt worden _{voor twee typen units: kondensors en}

verdampers.

De units hebben twee invoerstromen (1 en 2) en drie

uitvoerstro-men (3,4,5). Stroom _{1 is altijd een utilitystroom (bijvoorbeeld}

stoom of koelwater), stroom _{2 is de ingaande processtroom.}

Stroom 4 _{bestaat per definitie geheel uit damp en stroom 5}

uit

vloeistof. Afhankelijk _{van de proceskondities kan de totale flow}

van of stroom 4, of stroom 5, nul zijn.

Ingeval de module voor een verdamper wordt gebruikt, \vordt de

to-tale flow berekend va_{n een volledig gespecificeerde utilitystroom}

die of _{gebruikt wordt om een processtroom geheel of gedeeltelijk}

te verdampen, -of zelf _{verdampt 'vord t door de \varmteinhoud van een}

processtroom te benutten.

Het gebruik _{van de mDdule EVACON wordt geregeld met}

een kodegetal

op de eerste positie van de specm-tabel.

SPECM(I)=l, stroom 2 _{wordt geheel of gedeeltelijk gekondenseerd.}

SPECM(I)=2, _{stroom 2} ,vordt _{geheel of gedeeltelijk verdampt.}

SPECM(I)=3, stroom wordt verdampt.

Ee_{n beperking is dat stroom I slechts ~~n komponent}

mag bevatten.

De _{hoeveelheid van een stroom die kondenseert}

of verdampt, wordt

bepaald op basis van _{damvpunt·- en kookpuntberekeningen. Het}

ge-dachtenexperiment _{is dat alle specifikaties van stroom 2, behalv}

e

de temperatuur, worden doorgegeven ann stroom

4.

Vervolgens wordt

aan stroom 4 de juiste temperatuur toegekend en wordt berekend

wat de waarde van de vaporratio van deze stroom zou zijn.

Deze vaporratio is nu _{gelijk aan de splitfaktor van stroom 2.}

Voor de berekeningen moeten altijd _{gegeven zijn: de totale flow}

en _{Je samenstelling van stroom 2, de sa~}

van stroom 1,

en de temperaturen en drukken van de stromen 1 en 2,

Afhankelijk van de verdere gegevens zijn er _{dan in principe drie}

berekeningsalternatieven:

-

gegeven T

3en T4, berekening ( totale flow van stroom I'

,

. _{gegeven de totale flow van}

stroom _{en 1'4' berekening van T}

3;

-

gegeven de totale flow van stroom _{en 1'3' berekening van 1'4'} Het derde herekeningsalternaticf LS _{op dit moment nog niet}

- - -

-U

11 L.J ( 1 r I , , ( _, 1 _, L,

L

!

:

[J

f]

[ 1

r"j

!

J

L1

U

[J

1.1

[1

~I

:"1

~

n

l J

0

n

Jf

q

!

J r ' i \

I'

_{l }}

V. BESCH1\IJVING

_{===================================================================}

VAN _{EEN COHl'UTERPROGRANMA VOOR DESTILLATIEBEREKENINGEN.}

Twee destillatieprogramma's _{uit de literatuur x ) zijn omgewerkt tot één}

progranlH1a dat geschikt _{is voor de IBM 360-65 machine.}

De twee literatuurprogramma's, _{"basic program for destillation with}

total" respektieveli_{jk "partial condensor", bleken geschreven te zi}

jn

in een voor ons ongeschikte FORTRAN-versie.

Nadat de noodzakelijke updating ,,,as _{uitgevoerd, kwamen tijdens het}

uittesten van het programma met behulp van het getallenvoorbeeld _uit

het boek enkele principi~le _{fouten aan het licht.Deze zijn verbeterd.}

Bij het destillatieprogramma _{hoort een zogenoemd}

minimum-platen-pro-gramma. Nadat ook dit progranmla \vas verbeterd, _{zijn hiermee het}

minimaal benodigd aantal platen van de destillaties _{van een}

methyl-aminefabriek uitgerekend.

Daarna zij n de des ti _{llatiekolommen zelf doorgerekend.}

De resultaten zijn samengevat in bijlage 2.

Op _{de volgende pagina worden de opzet en werking van het}

destillatiepro-grammo nader toer,clicht.

x) D.N. Hanson, J .H. Duffin, G.F. Somerville, Computation of

Hulti-stage Processes, Rheinhold Publ. Corp., Ne,,, York, 1-30 en 38-168.

-, 1 I l , r ' , r '

I

'- .

!

1

II

( 1

lJ

[]

[]

!

1

r

1

L

f )

I l J

n

n

~-:~\

~-:".~ Ci-,\LCULATI(JÎ\ r-O;:.'

.. ' .•... L

L ,

I

_I l . j;r-~ J: _{A i} • i .1

;:r

1 ;: I ~; J

:

.

:r;

:

1

~

:n

'. inlt félSC ;.::====:-;::..:.:.::::: =

I

I

I

I

I

i

I

c;dcul félSC =;=:..:::..::.=;.===..;==.::..::=-=

(start )

I

.~.en \.roû1:c!en 'ui t

-de unittabel toe

aan variabelen van

s l!1~ ~ o~0~n e9!:Y5:'!? _ _

______

1"

_____

.

maak alle mOlfr:k-

]

1

ties en hun afge"

leiden gelijk aan 0 .

---

...

_-~--m

gegevens ere"cn

uit

partlaal-

5troo>'-1

spanningen.

'.

----

l'

.-- , .-- _ .

]

~ ntegrcer cic kine-

j

~iCkVergelijkingen ca 11 dhpcg ---~---_.-

-t

Lscl

~:

ij

f

~

~~e

'

f

;~:~~~~~d~-l

t

I

bere~en.

de

vO~:Jln:-:=-l

stroom 1n de rea~~ ~I r---~---- ---specificeer de

uit-gaande stroom op

ba-sis van de uitkomsten

van subroutine dhpcg .

~

:

__ 1 __

_

_

__ ._

J

bereken het volume,

~

de lengte en de breedte vd reáktor

-

----_._-110S

de "ormtehda;::]s . over de reaktor op

-_._

....

_---t

C!-c0In;

contin fase :::=.-:::::':::=-==-':==::"::== CTt~~:i)

GI~

@.-::EI)

1_

schriif

debe,:e!::2~-d-e--j

unitspecifikaties en alle spccifikaties

van de ui tg<1ande 5 trom,

----·-l---'·--·-·---·----·~

J

r

I

t init fase. --- --schrijf de invoer gegcvc'lS ui t de stromen- en unit-tabel. _.-,---'

con tin fase.

schrijf de

rele-vante gegevens uit de unitto.bel.

stroor.lschcm::l module HEEXI .

=====~~=========~~========

calcul fase.

Giart )

r

draag alle

stroomgegeve~

-behalve de temperatuur:

I

van stroom 1 en stroom 2

J

over aan resp. stro

3

en

4.

t

variabele S een waarde 1 als T 2-T1»0, en [ ee,f de - 1 a.~ s T 2 -T I <0.

l'

geef de (onbekende) _T4

~-JCl

arbitraire startwaarde,

af-hankelijk van S.

,

1 ,

-t--

...::=.=

bereken de warmtestroom

I

..

~J

door varmteHisselend o

pper-vJak, berekC'nd met TIen T

3, én met T₂ en T_{ll ,} -' nee

r--,::~~~:~e~:e::/

-~

•

~~.

' pos.

f

-

e-.e-

r-.

-1-'4-e-e-n-w-aa rd e T 4 + I 00, afhankelijk vo.n S.

- - - '

r:

waarde;" -I

f

_1 ..

_____

[. ____

J~

lIl~wk T_LI gelijk maak ,T

4 eclijk

éwn TH. aan TL.

vervolg HEEXI. :=.::: ::===.=:=-= = ==-=--:::: ===

[

~

-r~-[ I j a

j

[

y

[

J

r

n

nee I bereken

de

afwijkingen

van de warmtebalans voor

'f ₄ =TH _en T ₄₌ 'fL _.

von het log. temp. gem.

,

i

(

I

I

stroomschcm~ module SPLITT.

======~~==~=~==~~~~=====~===

c---'

start )

t

draag alle

stroomgege-vens -behalve de mol.

flow- van stroom! over

aan de stromen 2 en 3.

J nee

L

-bereken de mol.

flow van de stromen

2 en 3 m.b.v. een splitf<lktor.

1,

bereken de mol. flow van stroom 3 als het verschil van de strorr~n en 2 ~t~r~---~<~·---_J

~;r

;J I

Ir

~

1 " I I ),

d~l

.'.l

_1,'1

_.

.

.

'I[

.

, , I ! '1 I ;

'[

. ' I

:!

i

~

'[

. )j " 'j ,;

:;r

I ' .; ... ! "

',(In

-1 " ,:j .,

,:n

l'

'n

l J

I

l. I ' I

/

1

I

SU BROUT INE EQUILG;

---~---ne

T naar oF psi.

maak alle

vloeistof-nul.

bereken de vloeistof-samenstelling bij

ge-geven VR.

- - - ,

sommeer de kompon

ent-frakties.

Q

c

r

fn

oo

som ongeveer 1.'.,,-_Jél -,-__ ,

1

pas de metode van

NCHton-Raphson toe om

---~,-- de VR te vinden \vélarbij

de som v.d. komponcuL~

frakties ong. ) is.

- - -, dam,' SUBROUTINE ----PUNT. ---k ook---bereken m.b.v. Raoult . vloeistof . oe --- samenstelllng damp bij gegeven T en p. sommeer de komponent-frakties.

, pas de metode van

Newton-IZapbson toe om de teInpera -~tuur te vinden waarbij de

som van de

komponentfrak-ties

o"gor

er

I is . . _ ... c:..-_ _ _ --J

.

r

init fase. ---schrij f de m-voergegevens uit de stromentabel.

~r:0

~u~

e

rt₎

b

sch:rij

r~

f d

_

e

_ _

in-en uitvoerstromen

~,r;;

Stroolllschel!!a. Hodulc HIXER..

===~======~====~=======~==

calcul fase.

sommeer het totaal

aan-tal molen en de

enthal-pie van alle invoerstr.

__

L

_~

~

-=

-sOTIU11cer he t totaal aa

n-tal molen van elk der

komponenten in de invoer

stromen.

~I

,.-.----

_

.

bereken de samenstelling

van de uitgaande stroom.

J

bepaal de hoogste en

1

laagste temperatuur van de invoerstromen.

geef ecn foutmelding;]

:;,-- beeindi . de berekenin

~---~---maak de nd. - , (

sommeer de mol.floVl

van alle invoerstromen.

bereken de onbekende

mol. flow mbv de

stroom.

uitgaand]

geef een waarschmáng

als het aantal stromen

met ~~l. fl':~l nul)1 1.S.

(j, i,) lIlA

I-v~v.- Itl--V~- ~--::L

v.."d ..

A

,

~;'(L J3-v-<:)~ ~ ~

,"L-'"I-f) i d~

.---_

.

•

-.

_-bereken uit de

enthalpie-lll~ak

de temperatuur

J

j~

van de ui tgaande ",roomi"""" en TL aan e , / ~. ____ ~~~ ________ , balans iteratief cie tem-'

--",olijk f n TL.

C

l"

c~,ur~

peratuur van de uitgaande nee

.

f

:

ir

~

Ir:

!

Ir

stroomschema module EVACON.

========~=======~~========= schrijf de i n v o e r ] gegevens ui t de stromen- en unittabel kovertcel.- de temp. o naar C, en de druk naar atm.

t

bepaal of de faseovergang term van de warmtebalans positief of negatief

-

·1,

_.,

~s.

-

---~---~ bereken de massa van de utilitystroom uit de warmtebalans. Calcul fase.

maak alle specifikaties,

behalve de temperatuur,

van de in- en uitgaande

utilitystroom aan elkaar

gelijk.

"

maak~~samenstelling v.d.

uitgaande dampstroom gelijk

aan die van de pr:..0cess troom

process troori.

p . stro

ge0f alle stromen de

procesdruk; maak de

totale molenstroom v.d.

dampstroom gelijk aan

die v.d. processtroom.

f

l~al1

equiJilJ

t

konverteer de temp naar

OF, en de druk naar psi.

Il,

e

~n L-~ijtfaktor.

bereken de massa en de s;lmenstelling van de

uit-g<l.:l11de stromen.

,bereken de

vcrdampings~

]

.resp. kOIld~n~~;lf.ietcrrn van

~~':..._r:.!2.~!2. ~rr) i_~! .~~ l..;.!,1]

s.: ____ _

ut. stro

bereken de

~lassa~.d.

utilitystroom uit de enthalpiebalans.

maak de massa en de druk

van de 1n- en uitgaande

~n

1 !

\n

i I

'.

:

D

: \ , '

;r

:.1

Module DESTIL

De module DESTIL kan gebruikt worden voor het berekenen van

destillatie-kolowmen met maximaal 3 voedingen, 100 platen en 20 kow~onenten. In de

module zijn ingebot.lv7d een reboiler en een kondensor. Het aantal

output-stromen van de kolom kan 2 of 3 zijn: een bodemstroom, een kondensstroom

en eventueel een stroom die niet-gekondenseerde komponenten bevat. Of met

een totale kondensor of een parti~le kondensor wordt gewerkt, wordt

aan-gegeven door SPECM(l) de waarde 2 respektievelijk 1 te geven.

De module DESTIL vraagt altijd de volgende invoergegevens:

- alle voedingsstromen, volledig gespecificeerd,

- het aantal en de plaats van de s~hotels,

het aantal komponenten. Dit 1S gelijk aan het aantal komponenten in de

fabriek waarvan de destillatiekolom deel uitmaakt. Dit wil zef,gen dat

komponenten waarvan de hoeveelheid nul is worden meegenomen als

schijn-komponenten.

- het nUlrJller van de

~é

kokende komponent die men nog over de top wil

hebben, (dit is een manier om aan te geven waar de scheiding plaatsvindt).

een beginschatting van de refluxverhouding,

- een beslissing of men gedetailleerde uitvoer dan wel summaryprint v"enft,

- een beslissing welke specifikaties van de kolom of het eindprodukt men

nog wil opgeven, alsmede deze specifikaties zelf.

De module DESTIL werkt intern met eigen enthalpiegegevens . Deze gezevcIls

komen binnen vÏé; CO!,-1}10N/ENTCONj. De vloeistof/dampevem-lichtsgegevens komen

binnen via COHNON/EQCONj. De getallen worden via subroutine FYSPRO in de

common area's gezet.

Om een destillati(~l<.Olom uit te rekenen dienen een vast aantal onafhankelijke

variabelen een waarde te krijgen.

De struktuur van het programma is zo, dat dit niet altijd dezelfde variabE:len

behoeven te zijn. Gegeven de opzet van de module kan de gebruiker zelf twee

variabelen opgeven die gefixeerd worden. Daarvoor kunnen gekozen worden:

- tweE:

~~engs

tfrak ties in het topprodukt .

- f'en ophrengstfri;1ktie en de refluxverhouding,

- de l"e;>fluxverbouding en de keteltemperD.tuur,

r

Het destillatieprogramma is in essentie een schotel tot

schotel-berekening. De onafhankelijke rekenvariabelen die ingelezen worden

zijn de damp- en vloeistofstromen en de temperatuur op elke plaat,

en de volledig gespecificeerde voedingsstro(o)m(en).

Met behulp van deze gegevens genereert het programma,onder de

aan-name dat op elke schotel evenwicht heerst, strippingfaktoren voor

iedere komponent op elk van de platen.

Deze faktoren worden vervolgens aangewend om de relatieve fouten

in de massabalansen op elke schotel tweemaal te berekenen; eenmaal

door de kolom van onder naar boven, en eenmaal van boven naar onder door te rekenen.

De algebraïsche som van deze fouten bepaalt in welke richting de kolom

voor een bepaalde lcomponent: het beste kan worden doorgerekend.

Z\.Jare komponenten worden opwaarts, en lichte komponenten neerwaarts

.. Î\; /

-

berekend.

IX!'"

l ~

~~,~

Nadat: ffiet behulp van de stripping faktoren de samenstellingen van

\

JJ,

~llc stroffien, en de som van de molfrakties berekend zijn, \.Jordt

~\

' ,i\;--

\'r

le

~

een

speciale rek21lvariabele, PIU, berekend, zodanig, dat de som van

{

~

de molfrakties in het topprodukt binnen zekere grenzen gelijk 18 aBn I.

Deze variabele PHI is een maat voor het temperatuurprofiel in de kolom.

Heeft PHI de \\7aarde 1, dan is de juiste tem .... peratuurgradient aangenomen,

heeft PHI een '(vaarde groter of kleiner dan I dall is de aangenomen

tem-peratuurgradiënt te steil c.q. niet steil genoeg.

Op basis van de gevonden waarde van PHI worden de vloeistof- en

dampstroom-samenstellingen op elke plaat gekorrigeerd.

Hierna geeft het programma uitvoer, en wordt onderzocht of

de som van de mclfrakties op elke plaat binnen de vereiste nauwkeurigheid

gelijk 1n aan J. Wanneer dit het geval ]S wordt gekeken of aan de door

de gebruiker opgege..rn specifikaties van de p~"oduktstroom l S voldaan.

Is dit niet: het geval dan vindt een ternperatuurkorrektie plaats door

,

op elke schotel een kookpuntberekening uit te voeren op basis van de op dat moment bekende samenstellingen.

Met de n1euwe temperaturen worden nieuwe stripping faktoren uitgerekend.

Tevens worden de totale flows en de bijbehorende enthalpie~n op elke

plaat berekend. Vervolgens wordt de topstroom berekend door een

massa-balans over de kondensor op te lossens en wordt de kondensortemperatuur

8t:'vonden dlJor eén dauwpuntbcreken:i.ng.

Hierna worden lliell\':c sclJ(:lt tingen voor de damp- en vloeis tofs tromen op

elke plaat berekend door de lllakroënthalpiebalans, een enthalpi8b<llans

OVLor d(~ bel e ko] om 1.nkl us ief rebü1.ler en kondensor, op te 108s en.

I

11

l )

f1

n

G

1

I

BIJLAGE I

-

---,-... __ . . . &..L..Jo...-.. .. A ",j,o lt_-... t ' c _ _ ~ ... -. _;_~ ... _~_, .... n~:.~-~.,,-.•

.a---.,

"'-+ .,.(' .. ,~;.; .... ~~.f~~~~~~!kv.~ ... """_"""'_I<'~ ... _ ... _ ... ~ ... _

= l ..----, ,---, .----, ---, ~ .---. ---, ----. ~ - - . ---.. ---.. .----, r - - - " ,---, r---""' r - - - , ~---:J _:J HE 1

r1

"

I

~

L-.-J\

I

i

,

I ,---1 - - - . J ,-.-..I 1 _ _ _ -1 ~ _ ~ , J HE 2

BLOt(SCHEMA

'

~ItETHYLAi~INEFABRIEK

REAK

I

CON

D~

\

1~

'

~'r

POMP

() r-I

..

_~---...., JI DEST 3

I

_.---<<J

₁

_{E X P}

_A

₁

_I

_<]

_!

_S

_{P II T}

₄

1

!

I

t

_I

I

_"

I

I

ft DEST 4 rl "T T r2 u 111 X ; - - - < < ) IS P LI T 3 r 3 N .-; N [---~

~

I

E

XPA2

1

l

!

H E 3

I

<l

I

s

P LI T

"2 ,. Feed to plóni:

u stream trom plant

I

I

J

a

~~ ,l ~

,

i

i

!

_,

1 I , !

l .

r

IL

!

f'

I

.

Ir

J'

Ir

Ir

n

)

:

..

.

.

:.'.!

~

! i _., ··i ·

,

.

\1

j

:~

1

;f

_,

t

;,

BIJLAGE II