Verslag fabrieksschema styreen

I

l

~

•

VERS

LAG

FABRIEKSSCHEMA STYREEN

.

c

.

vv

.

D

EKKER

L

ANG E GEER

~ DELFT.

-

r§l

_W

_~

,

- • ••c~'<'ri

I

,

_~ I liaMAL 1.60 '--- ---~ --- -- - - -- - -- - -STYREEN. C.W.DEKKER DECEMBER 1151 I • 6-I -I I I I I' ICDELTllREN STOOM W.~1 W.W.2 RÉACTOR STOOM L. I 11llClM. OlIERVERHITTINISOVEN L _ _ _ _ M-=THYL- BEItZIEN

. .'

l

_

INHOUD 'I. INLEIDING A. Geschiedenis .

B. Toepassingen va n styreen.

C. Be sch ri j vi ng va n de verschillende styreen-process en .

11. KEUZ E VAN HET PROC ES

A. Vergelijking van het Dow-pr oce s en het I.G .Farben-pro ces .

B. Mot i v er i ng van de keu z e van het proces .

C. Keu z e van de vestigingsplaats van de fabriek.

D. Keu ze der productie-grootte.

111. THEORETI SCHE BESCHOUiJVI NG OVER HET GEBRUIKT E PROCES

A. De dehydrogenering van aet hyl be n z e en

B. De zuivering van styreen.

IV. BESCHRIJVING VAN DE PROC ESGANG IN VER BAND MET DE TEK ENING

V. MATERIAA LKEUZE

VI. BALANSEN

A. St of bal a n s en.

B. War mt e-ba l a n s en.

VII. APPENDI CES VIII.LITERATUUR

-~---_. - - -

--1.

I) INLEIDING:

A. Geschiedenis:

Al hoewel het bestaan van styreen in de laboratoria reeds zeer lang bekend was, werd pas in 1925 door de Naugatuck Che-mical Company als eerste styreen op commerciele schaal geproduceerd. Omstreeks diezelfde tijd begon de I.G.Farben in Duitsland zijn ont-wikkelingsprogramma, dat tenslotte gedurende de tweede wereldoorlog tot grote resultaten leidde.

In Amerika was het vooral de Dow Chemical Company, die zeer veel belangstelling voor het styreen aan de dag legde rond de dertiger jaren. En toen in het jaar 1944 de Amer i ka an s e regering van haar industrie 100 miljoen kg. styreen per jaar vroeg, groten-deels voor het produceren van synthetische rubber, waren de Amer i -kaanse styreenfabrieken in staat om aan deze opdracht te voldoen, voornamelijk dankzij de grote kennis en de vele gegevens die de Dow Chemical Company ter beschikking had gesteld.

Na de oorlog stegg de productie van styreen zó snel dat een gebrek aan senzeen thans een ernstige belemmering vormt voor verdere expansie. Het ziet er niet naar uit dat de behoefte aan styreen binnenkort zal verminderen, integendeel, zodat er dus een gezonde basis bestaat om een styreenfabriek te gaan bouwen. B. Toepassingen van styreen:

Styreen is een zeer belangrijke stof. De voornaamste toepassingen zijn:

1) Voor de productie van G.R .S . - synthetische rubber. Dit is een product ontstaan uit copolymerisatie van styreen en butadieen.

2) Voor de productie van polystyreen.

3

)

Voor copolymerisatie van styreen en andere monomeren.

Verder wordt styreen nog gebruikt voor de vorming van beschermende lagen; als impregneermiddel enz.

De polystyreenplstics zijn bekend om hun chemische weerstand en hun voortreffelijke electrische eigenschap pen.

C. Be s chr i j v i ng van de verschillende styreenprocessen:

Er bestaan zeer veel mogelijkheden om styreen op

Laboratoriumschaal te maken bijv. de decarboxylering van kaneelzuurj de dehydratatie van phenylethyla lcohol; pyrolyse van acethyleen en van koolwaterstoffen. In het kader van dit fabrieksschema zullen echter alleen di e processen beschouwd worden, die technische beteke-nis hebben of gehad hebben.

De bereiding van styreen in de techniek is een 2-traps proces. Eerst worden de basisgro ndstoffen, benzeen en aetheen,

ge-.

.

alkyleerd m.b .v . van een AICI -ka t a l y s a t or; vervolgens wordt het ge

-vormde aethylbenzeen, na

zuiv~ring,

gedehydrogeneerd tot styreen.

In dit fabrieksschema wordt alleen de tweede trap, dus de

dehydrogenering van aethylbenzeen, behandeld.

Er zijn drie mogelijke dehydrogenerings-processen:

1) De chlorering van aethylbenzeen in de z~jketen, gevolgd door

HCl-afsplitsing . .' ;,...~r t

Hierbij wordt aethylbenzeen onder invloed van zonlicht jall een op de

0( -pl a a t s gechloreerd of door verhitting , zowel op d-e D(,- als de(J

-plaats. Hierna kan op vele verschillende manieren HCI-afsplising

verkregen worden; bijv. thermisch bij een temperatuur van 650 - 700°C

of met organische zouten; of met metaalzouten; of met poreuze stoffeN.

Dit proces dat vroeger door de Naugatuck Chemical Company

en door I .G .Farben werd toegepast, wordt thans niet meer gebruikt;

voornamelijk door de groBe bezwaren die aan dit proces kleefden, zo

-als cor r o s i epr ob l emen (H61!) en de moeilijke zuivering va n het g

e-vormde styreen van de nevenproducten.

2) De katalytische dehydrogenering van aethylbenzeen.

Di t is een zeer eenvoudig proces en wordt dan ook door vrijwel alle

styreenfabrieken toegepast. Aa ng e z i e n de keuze op dit proces geval

-len is, zal dit in hoofdstuk 111 be s pr ok en worden.

3) De z e derde methode is een drie-traps proces :

a. de katalytische oxydatie van aethylbenzeen tot acetoph en on .

b. de hydrogenering van acetophenon tot phenylmethyl carbinol .

c. de dehydratatie van phenylmethylcarbinol tot styreen.

Deze lange weg kan door de volgende reacties worden voor g e s t el d:

Het grote voordeel van dit proces is dat de moeilijke aethylbenzeen

-styreen scheiding omzeild wordt door gebruik te maken van selectiev e

chemische reacties gevolgd door eenvoudige destillaties . Ofschoon

de opbrengst aan styreen lager is dan bij de dehydrogeneringsmethod e

worden verschillende waardevolle bijproducten gevormd.

De Dow Chemical Company heeft lange tijd een proces t oeg e

-past dat een combinatie van (1) en (3) was . Hi e r bi j werd ~- chloor

-aethylbenzeen gehyd r ol y s e er d en vervolgens ge d ehy dr a t e er d. Tenslotte

moest dit pro ses echter gestaakt worden, omdat er niet genoeg ch lo or

beschikbaar was.

Op het ogenblik wordt het ac et oph en on-pr o c e s alleen nog toe

-gepast door Carbide

&

Ca r b on Chemicals Company .

Hoofdstuk lIj KEUZE VAN HET POCES:

De keuze is gevallen op proces gen oemd onder I-C-2 , d.w.z . de kata

-lytische dehydrogenering van aethylbenzeen. De motivering hiervoor

wordt gegeven in II-B.

.

.

.

.

.

•

3

.

En wel het Amer i ka a n s e , het Dow-pr o c e s, en het Du i t s e , het I.

G.Far-ben-proces, dat thans door de B.A.S .F . wordt toegepast. We mo et em

du s een keu s ma ken uit deze twee pr o c ess en•

A. Vergelij king van het Dow-pro c es en het I .G .Far ben-pro ce s:

Gedu r ende de tweed e wer eld oor l og werd het styreenproces zo

-wel door de Amer ikanen als door de Du i t s er s verder ontwikkel d. Na de oorlog bleek bij de ont mant eling van de Du it s e industrie dat bei

-de processen vrij wel i denti ek waren. Ta be l 1. t oo nt de verschillen tussen beide proce ssen;

Ta bel 1•

! .

-

---..'-'

_

...-.-_...----.._-~ ,-- - _._

-verhoudin type temg. conver- rendement

I E.B.-stOOL oven oven

c

.

ka t a l y s' ~le ~er;Ioor oe _{in 10}

I _____ ____.1.______

-

-

_

.

__

._- -- -- -_. -Du i t s 1

·

1,2 bu i z en )80

_-

610 ZnO,A1 2( 40

10

I 88

-

93

,

3 ;

._

--Amer i k. 1

·

2,6 schacht 600

_-

660 MgtJ ,F e 2O 37

10

I

R6

-

94

·

-._._._.... _{I --- .------ - -'}

-Het typerende versc h i l tussen bei de sy stemen is gelegen in de warmte-economie. Aangez ien we t e mak en hebben met een soort kra

-king, dus een endotherme r ea cti e , mo et er dus warmte toegvoerd wor

-den om de reactie t e lat en verlop en. Bi j het Duit s e systeem wor dt stoo kgas gebr u i kt om de buizenoven te verhit ten, terwijl bij het

Dow- pr oc e s een deel van de st oom ov er v er h i t wor dt en zodoende de be

-nodigde reactiewarmt e levert.

Bi j vergelijking van de processen blijkt dat slechts klei

-ne variaties optred en, ter wij l opbreng s t en zuiv erheid van de pro

-ducten vrijwel identiek zijn. De vraag welk van de t wee syst emen het meest efficient is, is zee r moeilijk te beantwoorden . De con

-stnuctiekosten van de Du i t s e buiz en rea ct or zi j n hoger dan voor de Amer i ka a n s e schachtoven, vooral omdat opg epa st moet worden voor een

pl a at s el i j k té hog e t emper atuur, waar door thermische kr a ki ng zou op

-treden. Om dit te voorkomen moet en spec ia le constructiemateri al en gebru i kt worden, bijv. een koper -manga a n alliag e. Een voordeel van het Du i tse sy st eem is dat de conversie per doorvo er i ets hoger is bij gel i jke uiteindelij k e opbr engst. Een nadeel van het Amer i ka a n s e

syst e em is het hog e st oomve r brui k va n ongev eer

7

kg. stoom per kg. gepr odu c e erd styree n, ver g e l ek en met de 3~ kg. st oom di e nodig is voor de productie van I kg. st yr e en volg ens het Du i t s e sy steem. De

keu z e van één van deze twee syt emen moet dus geb a see r d zijn op vele factoren.

B. Mot i v er i ng van de keuze va n het proces:

Het onder I-C -l genoemde pr o c e s kwam niet in aanmerking

vanwege het lage rend ement , de corrosiemoeilij khed en en de lastige zuivering.

Het onder I-C- 3 genoemde proces heeft weliswaar het grote voordeel da t de moeilijke scheiding aethylbenzeen-styreen wordt ver

-.

.

.

.

.

&

meden, maar dit weegt toch niet op tegen de lange en ingewikkelde procesgang, die bovendien zeer veel apparatuur en hulpstoffen

ver-eist. Wel i s wa a r is het acetophenon een waardevol bijproduct, maar

het feit dat nog slechts één fabriek dit proces volhoudt, is vol

-doende garantie om ook dit proces te laten vallen.

De keus is dus gevallen op het katalytische

dehydrogene-ringsproces genoemd onder I-C-2, vooral omdat dit het meest een

-voudige proces is. Bovendien is het mogelijk om een verregaande

automatisering in de fabriek toe te passen.

Aa ng e zi en zoals uit II-D zal blijken, de productie van

de fabriek 600 ton styreen per maand zal bedragen, is het Ame r i

-kaanse systeeem verkozen boven het Duitse. Immers bij een niet te

grote fabriek zijn hoge constructiekosten van meer invloed op de

kostprijs van het product, dan bij een fabriek met een grote pro

-ductie. Bij de laatsBe is een hoge stoomconsumptie minder economisch .

C. Keuze van de vestigingsplaats van de fabriek:

Styreen zal ook in de toekomst een belangrijk product zlJn.

Het lijkt mij dan ook gewenst dat ook Nederland over een styreen

-fabriek zal beschikken. Dit is de voornaamste reden dat ik deze fa

-briek in Ned er land wil bouwen. Bov endi en zal dit een stimulans zijn

voor de bouw van een synthetische rubber-fabriek.

Bij de keuze van de vestigingsplaats moet vooral worden

gelet op de aanwezigheid, of gemakkelijke aanvoer, van de twee ba

-sisgrondstoffen benzeen een aetheen. Dit is natuurlijk slechts één

van de vele factmren die de vestigingsplaats eb de grootte van de

fabriek bepalen. Be l a ng r i j k e factoren als arbeidsmarkt,

kapitaals-voorziening, afzetmogelijkheid etc. moeten hiet echter onbesproken

blijven.

Uit het oogpunt van de aanwezigheid der grondstoffen zijn

er in Nederland twee gebieden die elkaar weinig toegeven. Immers

zowel de cokes- als de aardolie-industrie zijn iD staat om de grond

-stoffen te leveren, dus én Zu i d-L i mburg én het Bot l ekg eb i ed komen

.i n aanmer k i ng. Bi j de cokes-industrie wor dt benzeen direct gewonnen

\ ..~ ' t er Wi j l de aetheen door hydrogenering van acet~yleen, dat weer uit

\\V ,c a l ci umca r bi d e gemaakt wordt, wor dt verkregen. In de aardolieindus

-trie wordt aetheen vnl. gewonn en uit de kraakgassen, terwijl ben

-zeen vooral omtstaat bij de reforming-processen. Een voordeel van

het Bot lekg e bi ed boven Zuid-Limburg is gel eg en in de veel betere

vervoersmogelijkheden, terwijl bovendien de Dow Chemical Company

een benzeenraffinaderij heeft in het Botlekgebied. Med e in verband

met eventuele toekomstige uitbreidingen is dus het Botlekgebied

ve-kozen boven Zuid-Limburg.

D. Keuze der productie-grootte:

Aangezien de afmetingen van een dehydrogeneringsreactor

bepaald worden door de mogelijkheid om voldoende warmte toe te voe

-.

.,

..

nen zlJn dan de Duitse. De Duitse ovens hebben over het algemeen

een capaciteit van 120 ton styreen per maand terwijl de Amerikaanse

schachtoven een capaciteit heeft van 300-~00 ton per maand. Voor

een productie van 600 ton styreen per maand zijn dus vijf Duitse

ovens nodig tegenover slechts twee Amer i kaa ns e. Dit is dus nog een

reden om het Amerikaanse systeem te verkiezen boven het Duitse.

Als productie-grootte voor de te bouwen fabriek is gekozen

600 ton styreen per maand.

Hoofdstuk lIl: THEORETISCHE BESCHOUWING OV~R HET GEBRUIKTE PROCES:

A. De dehydrogenering van aethylbenzeen:

Styreen wordt geproduceerd door dehydrogenering van aethyl

-benzeen over een katalysator bij een temperatuur van ongeveer 600o

c

.

De voornaamste reactie kan worden voorgesteld door:

>

, I

\ ) tf\

"

Tevens treden een aantal nevenreacties op die leiden tot ongewenste

producten. Deze nevenreacties kunnen in twee groepen worden ver

-deeld:

1) De kraking van aethylbenzeen, waarbij benzeen, tolueen,

methaan, ethaan enz. gevormd worden.

2) De kraking van deze koolwaterstoffen tot koolstof , ge

-volgd door reactie van koolstof met stoom, waarbij koolmonoxyde en

kooldioxyde ontstaat.

Tenslotte kunnen ook nog kleine hoeveelheden stilbeen en

diphenyl gev or md worden.

De dehydrogeneringsreactie is endotherm en geeft een volumevergr

o-ting. Het verdient dus aanbeveling om bij lage druk te werken.

Door nu voldoende stoom toe te voegen kan de pa r t i a a l dr uk van de

reactieproducten tot ongeveer 0,1 atm. worden teruggebracht. Het

mengen van stoom en aethylbenzeen voor de reactie heeft een vier

-ledig doel:

1) Door dat stoom de partiaaldrukken verlaagt wordt het de

-hydrogeneringsevenwicht naar rechts verschoven.

2) Stoom wer kt als een verdunningsmiddel teneinde thermi

-sche kraking tegen te gaan.

3

)

Doordat stoom als pro.~o~ór van de watergas-reactie op

-treedt, helpt het eventueel neérgeslagen cokes van de katalysator

te verwijderen.

4) De stoom levert, na oververhit te zijn, de warmte die

nodig is voor de dehydrogeneringsreactie.

Factoren die van invloed zijn on de reactie:

·

.

een dehydrogeneringsreactie. Wordt de temperatuur echter té hoog,

boven

660

0

c

. ,

dan treden kraak-reacties op, waardoor grote hoev ee l

-heden ga s, koolstof en vloeibare bijproduct en word en gEvormd .

b. Dr uk: Een lage druk bevord ert de reactie.

c. Katalysator: De reactie i s ook zonder katalysator mogelijk. Bi j 6000 ligt het evenwicht gun st ig, do ch de reactiesnelhèid is erg

klein. Om tot een redelijke conversie t e komen is het gebr u i k van een katalysator noodz a keli j k. De ontwi kkeling van een ef fectieve

katalysator is verantwo or delij k voor de uiteindelijke (hoge) op

-brengst.

d. Ruimtelijke doorvoersnelheid: De z e houdt ten nauwste verband met de conversie per doorvoer. Wordt de ruimtelijke doorvoersnelheid

t e groot dan daalt de conver sie per doorvoer aan z i en l i j k. Zo gaf

een ~ H.S.V . van 2 een conversie van 38~; terwijl verdubbeling van

deze, ~~ H.S.V. res ult eerde in een dal i ng van de conver s i e tot 20~.

,

...

Teneinde het beste resultaat t e be r e ik en moeten de temperatuur en de ruimtelijke doorvoersnelh eid nauwkeuri g t eg en elkaa r afgewogen

wor d en. Zoals wij reeds zagen spe len vele factoren een rol bij de

dehydrogen eringsr eactie. Zodo ende worden economische overwegingen

de bepalende factor voor de reac t i econdi ties.

Voor een bepaa l de kat a l y sat or zijn de reactie -condi ties

een compromis tussen relatief mild e omstandi gheden , die een lage

conversie per doorvoer ge v en met een hoge uiteindelijke opbrengst,

én hogere temperatuur eB lang er e contacttijden die resulteren in

hoge conversies per door-voer t en koste van de uiteindelijke op

-brengst.

B. De zuivering van styreen:

Het is vooral de moeilijke scheiding aethylbenze en

-sty-reen gewee s t , die een snellere ontwi kkeling van het styreenproces

in de weg heeft ge s t a a n. Dez e moei lijkheden wa r en van tweeërlei

aard:

punt en

1) Er besta at slec hts een verschil

bij normale dr uk va n aet hyl b enze en en 2) St y r e en he eft een st er k e neiging

van

9

0 tus sen de kook

-styreen.

om te polymeriseren. : , _{De juiste combinatie van vacuumdestillatie en de toevoeging van}

inhibi toren heeft echt er een uiter s t moei l i jk pro bl e em gemaakt tot een eenvoudi ge werkwi j z e.

Theoretische vereist de aethyl b en zeen- styreen scheiding 53 schotels .

In de praktijk gebruikt men

7

3

schotels (schotelrendement

70

t)

.

Indien men rek en t met een dr ukverval van 4 mmo per. schotel, zou de bodemtemperat uur bij een dr uk va n mi n ima al 31Cf mmo veel polymeer

-vorming veroorza k en. Daar om worden twe e destillatiekolommen ge

-brui kt . Al s inhi bi tor wor dt door DON zwavel toeg evoegd, t erwijl de

Du i ts er s met hydroc hi non eenz el fd e resultaat ber eikt en.

Er bestaan verschi ll end e destillatie-systemen die

7.

volgende systeem toegepast. In de eerste kolom bestaat het top-product uit aethylbenzeen, tolueen en benzeen, terwijl in het bo-demproduct styreen tot 80~ geconcentreerd is. In de tweede kolom gaat een equivalent mengsel van styreen en aethylbenzeen over de top; het bodemproduct bestaat uit ruw styreen. In de derde kolom tenslotte destilleert zuiver styreen over de top en bestaat het bodemproduct uit teer, zwavel en polymeren.

Om polymerisatie van styreen te voorkomen mag de tempe-ratuur nergens boven de 1000 stijgen. Di t is ook de reden dat de reboilers verhit moeten worden met lage temp. stoom ~1100).

IV: BESCHRIJEING VAN DE PROCESGANG IN VERBAND MET DE TEKENING:

. .t \ '.'j~\.,~

Zoals wij reeds zagen zijn voor een productie van 600

ton per waand 2 reactoren nodig. De procesgang wordt slechts ~oor

één reactor beschreven. Na de afscheiders komen de ~ee product-stromen samen en doorlopen dan gezamenlijk de scheiding. De des-tillatie-unit is mntwoppen voor een capaciteit van 600 ton styreen per maand.

Aethylbenzeen wordt verdampt en vervolgens gemengd met stoom van

1600

c.

en 6,3 atm. D~t is slechts 10~ van de totale stoomconsump-tie. De Eesterende 90~ wordt gebruikt om na oververhitting de re-actiewarmte te leveren. De g ewi.cht.s ver-houdi ng aethylbénz-éen-totale

stoomconsumptie bedraagt 1 : 2,6. Het stoom-aethylbenzeen mengsel wordt in een warmtewisselaar (W. W. 2) opgewarmd door de reactie-gassen. Het bereikt vervolgens de reactor met een temperatuur van 5200C. Hier komt het samen met de resterende 90~ van de stoom, die na eerst van de warmte-inhoud der reactiegassen geprofiteerd te hebben (in W.W. 1), in de stoomoververhittingsoven op een tem-peratuur van 7100C. is gebracht. De temperatuur onder in de oven is na combinatie van de ~wee stromen 6300C. De oven is geheel ge-vuld met katalysatorkorrels.

De katalysator bestaat uit ongeveer 85~ ijzeroxyde, geactiveerd met chromiumoxyde en met kaliumoxyde als promotor.

De levensduur van deze katalysator bedraagt 1 -l~ jaar.

Het reactiemengsel wordt bij een contacttijd van 1

-l~ seconde gedehydrogeneerd met een rendement van 37~ per doorvoer. De reactiegassen doorlopen achtereenvolgens de twee

warmtewisse-o

laars (W.W. 2 en W.W . 1) en komen dan met een temperatuur van 295 in de koeltoren. Hierin wordt gekoeld volgens een sproeisysteem. Een deel van de bij de dehydrogeneringsreactie gevor md e teer, con-denseert in de koeltoren. De reactiegassen gaan na de condensatie in de condensor naar de afscheider, waar het water van het styreen-aethylbenzeen mengsel wordt gescheiden. Het mengsel wordt verzameld in een tank.

Het gas dat uit de condensor komt wordt in een freon-koeler van de laatste resten aethylbenzeen en styreen bevrijd. De niet-condenseerbare gassen kunn en eventueel ergens in de fabriek als stookgas worden gebruikt.

8.

Vervolgens wordt het aethylbenzeen-styreen mengsel, dat ook nog kleine hoeveelheden tolueen, benzeen en teer bevat, uit de tank naar de destillatie-unit gepompt.

Aa n de top van kolom I komt benzeen, tolueen en vrijwel styreenvrij aethylbenzeen over. Na een verdere scheiding gaat ben-zeen terug naar de alkylati e-uni tj aethyl b enzeen naar de dehydro-generings-unit terwijl t ol ueen als bijproduct wordt verkocht. Het

bodemproduct wordt gekoel d t ot 500 en gevoe r d in kolom 11. Aa n de top destilleert een 50:50 styreen-aethylbenzeen mengsel over, dat teruggevoerd wordt op de voedingsschot el van kolom I. Het

bodem-pr odu ct , dat uit ruw styre en bestaat, di e nog kl ei n e hoeveelheden teer en inhibitor bevat, wor dt na geko el d te zijn tot 500 in de kolom 111 gezuiverd. Aa n de t op de st i l l e er t zuiver styreen over,

terwijl het bodemproduct van kolom 111 uit teer en S- v er bi ndi ng en benevens polymeren bestaat.

Voor volledige geg ev ens over de de s t i l l a t i e-un i t zie t abel

8

.

V. MATERI AALKEUZ E:

Al s constructiemat eriaal is , op een enkele uitzondering

na, staal gebruikt . De Du i t s er s die meenden dat ijzer als kataly-sator werkte voor de styreenpolymerisatie, vertinden de se s t i l l a -tiekolommen aan de binnenkant. Di t leverde echter ge en enkel prac-tisch voordeelop.

De warmtewisselaars in de styr eensectie zijn ge con st ru

-eerd met koper en buizen. Naas t het feit dat deze een go ed e warmte

-overdracht gev en, wordt hierdoor ook de styreenpolymerisatie te

gen-gega an , omdat koper een bek end e inhibit or is voor deze reactie. De t anks di e meer dan

90

î

zuiver styreen bevatten, zijn

uitgevoerd van aluminium.

VI. BALANSEN:

A. Stofbalansen:

In de verdamper wordt ing evoerd: 1150 kg. aethylbenzeen per uur.

Dit wordt gemengd met 300 kg/u stoom, waa r na het mengsel W.W . 2 doorloopt .

2700 kg./u stoom door l oopt W.W . 1 en de oververhittingsoven.

1) Reactor:

In de reactor wor dt dus ing evoer d een mengsel van: aethylbenzeen: stoom: totaal: 1150 kg/u 3000 kg/u 4150 kg/u

9.

--- ..- .._.__....-- ··ï -.. -..-..--.---.-.--..~, -..- - -

.---kg/uur ingaand uitgaa n d

. • 0 aethylbenzeen 1150 stoom 3000 K.W. -meng s e l gas (1 30 m3juur ) totaal 4150 -- - - -- _.__._-_._--_._._._-- _._---_

.

.

_---- - -2977,5 1132 ,0

I

40,5 , 4150

L

.

_

_

.

._

._.

t a bel 2.

De samens te l ling van het K.W. -mengsel i s :

. . • • .•-- -•• - - - •• • • •- - - - -. - , - - - - • •• ••••-- •• . . •• •• •.•-•• - .- 0.0 - - . - • • -- - - -•• •- - -•• - - -•• - .

'

I

- - - . , - - -- - - - -.-4 I I t i

I

I

I

I

I

I tabel 3.

.

-

---

-r- -- ---

o • - ••- - . -- • •- •

10

_M3

_luur

_i

_kg/uu

_{r l}

_{__}

~

Ol/~

~

_~

H 2 86,4 112 ,32 1_! 10,0 5,00

I

CO 2 10,5 13,65

!

26 ,8 f 0,56 I CH 4 2,0 2,.2.0 1,9 ! 0,1 2 ; CO 0,5 0 ,65 0,8

I

0,03 tab e l 4. 0,6

0

,7

8

I C 2H 4

l

'

~O

'O4

tota a l 100,0 130,00 ...

4

0

_

~~

5, 75 ~.~-

---

-_

..

_

...

Opm. De samenst elling va n het gas i s aangenomen. Het i s mog e l ijk

o~e samenste l l i ng van het K.W. -mengsel te be r ekenen , Uit de

samenstelli ng va n het ga s me ng s e l . Hier van wordt gebruik ge

-maakt om de reactie-efficiency te con~r o l er e n.

2) Spr oeit or en : Hierin wordt 613,5 kgJu water va n 200 omg e z et in

t otaal K.W.mengsel waterstof

.

.

.

i

I

stoom

I

l

tabel

5

.

Uit de litteratuurgegevens blijkt dat stoom met een partiaal

-spanning van

0

,923

atm. (is

704,

5

mm.Hg) condens e ert bij

97

,5

0C.

De condensor wordt gekoeld op een uitgangstemperatuur van

50 oC. De niet-gecondenseerde gassen bevatten naast waterstof en

restgas nog 15,8 kg. stoom en 62 kg. K.W.mengsel . Deze worden ech

-ter nog gecondenseerd in een Freon-koeler op een uitgangstempera

-tuur van OOC. Na deze koeler bedraagt de partiaalspanning van het

K.W .mengsel nog slechts 2 mmo Dit komt overeen met een verlies va n

2,83 kg K.W.mengsel ófwel

i

~. Bi j de verdere berekening is dit

verlies verwaarloosd .

4) Afscheider : In de afscheider komt nu een mengsel van:

K.W.mengsel : 1132 kg./uur

water 3b~1 kg./uur

•

5)

Destillatie-unit :

Voor gegevens over de Êt of ba l a ns en van de

destillatie-unit, zie overzicht 1. en tabel

7

.

Voordat het mengsel naar de destillatie-unit wordt gepompt zlJn de

product stromen van de twee dehydrogeneringseenheden gecombineerd,

zodat dus een K.W.mengsel van 2264 kg/uur in kolom I wordt inge

-voerd.

Uit tabel 7. blijkt dat per uur 837 , 6 kg styreen wordt afgetapt

hetgeen overeenkomt met een maandproductie van 600 ton styreen.

B. Wa r mt e - ba l a n s en:

Bij de berekening der warmte-balansen is zowel ge

-bruik gemaakt van gegevens over soortelijke warmten als van gege

-vens over enthalpievers chillen .

11.

totaal nodig in verdamp er:

•

.

·

. 2 - 1360 •. opwarmen 0 verdampen : 1150 x 116 x 0,453 1150 x 81 = 60.800 kcal ./uur = 93.150 " 153.950 kcal ./uur

Opm. Nu wordt 1150 kglu aethy l be n z een damp van 1360 gemengd met

300 kglu stoom van 1600 en 6,3 atm.

Het resulteren de mengsel he eft een t emperatuur van 1400C.

2) W.W . 1: 2700 kglu stoom wordt opgewarmd van 160 tot 385° C.

totaal nodig in W.W . 1: 2700 ~ 114,66 =66610. 000 kcal ./ uu r

3) W.W. 2: Meng s el van aet hy lben z e en en aethylbenzeen: 1150 x (290,1 - 90,7) st oom: 300 x (842 653) o stoom. Ing a an d: 140 C. Ui tga an d:5200C. = 230.000 kcal./uur - 56.700 " totaalnodig in W.W. 2: 286.700 kcal./uur

$~ St oomov er v er hit t i ng s ove n:

2700 kgl u stoom van 385 wor dt oververhit tot 7l00C.

totaal nodi g: 2700 )( 168,8 = 456.000 kcal ./ uur

=

153.950 kcal ./uur

= 456.000 kcal./uur verdamper:

oververhitter:

Aangezien de opgenomen warmte in de beide warmtewisselaars wordt

ge l ev er d door de reactieg assen , i s dus om de dehydrogenering uit te voeren nodig:

totaal: = 609.950 kcal ./uur

•

(' 5) Rea ctor :

Aange z i en vele nevenreacties optreden, waarvan de me es

-te endotherm zijn, is de total e war mt e, nodig voor de vorming va n 1 kmol st yreen, ges t el d op 35.000 kcal.

Er wor dt gevormd 418,8 kgl u styreen, dus voor de re

-actiewarmte i s nodig: 418

6

8 x 35.000

=

148.000 kca l .t uur

10

Vol~ens de litteratuur is de bod emtemper at uur van de react or

630 C. en treden de reactiega ssen uit de react or met een tempera

12.

Warmte, afgestaan door de reactiegassen: Q.

w

.w.

2: Ingaand: 565°C. Uitgaand: 438°C. stoom: 2977 ,5 x. (866 -801, 3) aethylbenzeen : 691,6 x (319 -240,2 ) styreen : 418,8 )( (301,4-228 ,3) K.W. (b en z. j t ol. ) 21,6 )( (310 ~ 234) waterstof 10 x (3025 - 2490) totaal afgestaan in W.W. 2:

-

194.000 kcal ./uur

-=

54.000

_"

= 30.600

_"

=

1.650

_"

=

5.350

_"

=

285.600 kcal ./uur W.W . 1: Ingaand: 438°c. Uitgaand: 295°C.

Op dezelfde wijze als bij W.W. 2 is gevonden :

totaal afgestaan in W.W . 1. : = 301.200 kcal./uur

Opm. Voor beide warmtewisselaars blijkt dus de opgenomen warmt e

goed in overeenstemming met de afgestane warmte.

6) Koeltoren : Ingaand:

Uitgaand:

totaal door reactiegassen aggestaan: = 379.750 kc al ·/uur

Deze warmte is gebruikt om 613 , 5 kg water van 20°C. te ver dampe n.

7) Condensor: Ingaand:

Uitgaand:

"

"

"

"

"

"

kca Lv'uur 171.570 22.580 2. 360

=

=

::

=

350 :: L 250 =1.943. 910

=

90.980

om de berekening te vereenvoudigen is aang enomen dat alles tege

-lijk condenseert , en wel bij 97,50C.

°

Af ko el en van 100 - 97,5 C. stoom: 3611 ~ 0,0 972 K.1\T.-mengsel: 1132 x 0,43 x 2,5 Condensatie stoom: (3611 15,9) x 540,7 " K~W.mengseL: (1132 (2) x 85 Af ko e l en van 97,5 - 50°C. water: 3611 x 47,5 K.W.me ng s el : 1132 x 47,5 x 0,42

Afkoelen niet- condenseerbare ga s s en :

- - - -- - - - --- - -- - - --__ '

-13.

• _{Totaal afgestane warmte in de conde n s or:}

8

)

Freon-loeIer : Ingaand: 50oC.

Uitgaand: OOC.

=

2.233 .000 kcal ./uur

totaal afgestaan bij nakoeling:

Totale warmte-balans over de twee ovens:

=

18.800 kcal./uur opgenomen warmte: 2 ~ 609.950 stoom van 50 - 160°C: 6000 x (658,4-50) totaal: totaal afgestaam: 2 x 2.251 .800

=

L 21 9. 800 kcaL/uur

=

3.650 .400

_"

=

4.870.200 kcal./uur

-

4.503 .600 kcaL/uur

-Het verschil ( 7~ ~

)

wordt voornam elijk veroorzaakt door stralings

-verliezen.

9)

Destillatie-unit : Voor gegevens zie overzicht 1. en t abel

6

.

VII. APPENDICES:

Op blz. 14 is een overzicht gegeven van het destillatie

systeem.

In tabel 7. zijn de stofstromen opgegeven in kg/uur.

In tabel

8

.

zijn enige gegevens over de destillatiekolommen samen

-gevat•

•

.

'

tJd.

6.

k

e~/fMUL;

tR

I

7

1Q. 3 So

--~

t

69,/.

ilo0

{f{3

396. I~o

C4"

386.(JOD ~f" 1~~-. 600 <f{, 13i/. S"oo

CR

.,

.2

3.

~oo I

CR

,

1:l.8Sü

I

•

®

t

r

@

Cf.2.

/ C91(

~

@

®

8 @ @ 1 1

o

vVVl.l.ili 1...

STYR~E

N

:

7

J

®

~

~

-~=

~

~ ~

r---+--~--_+____- --I_-- --- --- - --- ----E.B. 1/383,?-

6q

16

6'3

/6

-

1

/

383

J

~

I

Tol~.u.n

I

~S, o -:BeM'teeh

i

n

,

b TeeR

I

_, L/,(, TotOA(

I

~

'tbt{ I .2S',D

-

2~:o

-

1 : 13,f:,

-

13,b

-

I I I I

-

-

-

-

!

₄

_,("

•

( ., i 'I I ct i cr"!l' i _CD

l

I--' ,

.

co lIo o t.;oo T - - .'

--

.ol

-Sat..

0ftl.

I

Cthf~oI.

I

tM 'm.~. 1.600 12.000

lsoo

;f • 1-J.. .t. 10 10 k~ 1I -- ---- --- -- -.- -~- r - - - . - - - , - - - -

----l--

-

-

-

---

---,

ft

!

J

,

Te..,,b~'1'

1

~

,'"

';.

!

'D l

P

. _"

JJ~

~ WO"'

I

I I fU,dfuK.- , ~

1- -. . . . ; : i

[

iTor

(otb-.

)

To~

~

~oq,..

:

-

~·1

~

-.:~.

1 1 1 I

~d.uw..-"I

4

s

.

18 i

1./5'

:

9

2

3

~

!

1tt

o ,

1~ '1

I 19.000 qoo

. -

--

-

.-

-

--

--

1

-

- --

-I -

..

,

'

i

-

--

-

---

-

-, I----~,-

--

- -

-

~-

-

-

--

---,----, -

-

,

-- ---

--

-- ---

.-, -

-

-

---

-

--~

'

lil,

Bf

:1.1 (jo

I

1:

8

I

16.000 --- -- 1- --- ---.---- - -,--- --.--.--- .. - ---- -- .-- - -- ---I--' \.n

.

VIII. LITERATUUR:

'/

1. R.H .Boundy ~ R.F .Boyer, Styrene:1952.

2. H.Ohlinger , Polystyrol 1955 .

1

.

P.W.Sherwood , The Industrial ChemistX(1954) 71.

4. J.M .Mavity et al. , Trans.A.lnst .Chem.Eng . ~ (1945) 519

2

.

J.E .Mitchel1 , Trans. of Am.lnst . of Chem .Eng . Apr i l 1945 6. Chem. and Met . Eng.

-

51

-

, (Febr.1944 ) 160

~. H.W.Ashton &T.W.Flavel, B.I .O .S. Final Report No. 1781

8

.

T. Jordan, Vapor Pressures

"!::;

..