Produktie van alpha-D-octylglucoside monohydraat uit 1-Octanol en D-Glucose

(1)

•

• ,

....

{~,.

TU

Delft

Technische Universiteit Delft

Vakgroep Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

w.

van der Poel

P.A.J. Verdaasdonk

onderwerp:

Produktie van alpha-D-octvlglucoside

mono-hydraat uit 1-0ctanol en D-Glucose

8-/2-

to>j

/u~A'

F.V.O. Nr:

2759

adres:

Populierlaan 131

2282 LA Rijswijk

tel. 070-951143

opdrachtdatum:

25 Mei 1988

Elzenlaan 26

3319 XB Dordrecht

tel. 078-161407

verslagdatum:

9 November 1989

(2)

•

'

.

•

(3)

•

TU Delft

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

Produktie

van

alpha-D-oetylglueoside

mono hydraat

uit

1-0etanol

en

D-Glueose

H~O

0 HO HO HO Delft, 9 November 1989

w.

van der Poel Populierlaan 131 2282 LA Rijswijk tel. 070-951143 o Fabrieksvoorontwerp behorende bij het college st 44 "De Chemische Fabriek"

P.A.J. Verdaasdonk Elzenlaan 26 3319 XB Dordrecht tel. 078-161407

(4)

•

Inhoudsopgave Inhoudsopgave . . I Samenvatting II Conclusies . III Inleiding .

IV Eigenschappen van a-D-octylglucopyranoside monohydraat

en het octanoljhexaan-solvent • • . • •

§ IV.l: Inleiding . • . • • . • . . . .

§ IV.2: Viscositeitsberekening van het

octanolj-hexaanmengsel . . . • . . . .

§ IV.3: Diffusiecoëfficiënt van a-octylglucoside in

het hexaanjoctanol-mengsel . • • . . • . . . .

§ IV.4: De oplosbaarheid van a-octylglucoside in

hexaanjoctanol . . . • . .

§ IV. 5: Vormingsenthalpie II Hf en warmtecapaci tei t cp

van a-octylglucoside . • • . • • • • . • . . .

V Beschrijving van het proces .

VI Motivering van keuze en berekening van de apparatuur .

§ VI.l: Reactor . • • • • . • • . • . • . • . .

§ VI.2 Ontwerp van kristallisator MlO . . . • •

§ VI.2.1: Kristallisatie (17); § VI.2.2: Design

van de kristallisator (20); § VI.2.3:

Dimensio-nering van de kristallisator (25); § VI.2.4:

Conditioneren van de kristallisator (31); §

VI.2.5: Afvoer van de kristalslurry uit de kristallisator met behulp van de magma-extrac-tiepomp P12 (32)

§ VI.3: Opwerking van de produktkristallen . . . • •

§ VI.4: Destillatie . • • • • • • . • • . • . • • •

§ VI.5: Het compressiekoelsysteem . . • . . .

§ VI.6:Warmtewisselaars . • . • . • • • . . • •

§ VI.7: Pompen en leidingen . • • • • • . • • • . •

§ VI.8: statische menger M9 . . • . . . • . . .

VII Berekening van de massa- en warmtebalans

VIIISymbolenlijst

. .

.

. . . .

.

. . . .

1 1 3 4 5 7 7 7 8 9 9 12 13 13 17 34 37 38 41 44 46 47 48

(5)

•

IX Literatuur X Bijlagen . • • . . . . . . •

Bijlage

A:

Proces schema van de

glucoside monohydraat uit

produktie van octyl-l-octanol en D-gluco-se

. . . .

.

. .

. . . .

.

. . . · ·

_{· ·}

Bijlage B: Massa- en warmtebalans

. .

.

_{· · ·}

Bijlage C: Stroomjcomponentenstaten

_{· ·}

_·

Bijlage D: Specificaties van proces apparatuur

_{· · ·}

Bijlage E: Kostenberekening voor de produktie van

octylglucoside monohydraat uit l-octanol en

0-glucose . . . .

Bijlage F: Dimensionering van destillatiekolom T18 .

Bijlage G: Lotus 123 Spreadsheet voor het

dimensio-neren van destillatietoren T18 . • . . . .

Bijlage H: Berekening van een warmtewisselaar

vol-56 59 60 62 66 70 80 89 91 gens [ 25 ] . . . . . . . . . 92

Bijlage I: Berekeningsvoorbeeld van een koeler met

Freon-12 als koudedrager volgens het principe van een reboiler [25] . . . • . • • • • • .

Bijlage J: Condensatie van de dampstroom uit de

droger in mantelpijp-warmtewisselaar H16 . • .

Bijlage K: Berekening van condensor H24 uit het Freon-12 koelsysteem volgens [25] . • • • . Bijlage L: Dimensionering van in het proces

benodig-95 97 106

de pompen . . . • . • • • • . • . . . . . 109

Bijlage M: Dimensionering van benodigde

koelwater-pompen . • . . • • • • . • • . • . • • • • . . 112

Bijlage N: Figuren, tabellen en grafieken . • . . . 114

(6)

•

I Samenvatting

De produktie van a-octylglucoside uit l-octanol en D-glucose wordt uitgevoerd in een continu proces. De reactie vindt plaats in een continue tankreactor (CSTR). De reactie wordt gekatalyseerd door een sulfonzure ionenwisselaar. Het ingewikkelde reactiemengsel wordt opgewerkt in een kristalli-sator, waarbij het a-octylglucoside selectief uitkristalli-seert. a-Octylglucoside wordt uitgekristalliseerd door toevoe-ging van n-hexaan en koeling tot -5°C, wat dient voor het

krijgen van oververzadiging. De l-octanol en de nevenprodukten worden teruggevoerd naar de reactor, de n-hexaan naar de kris-tallisator. Daartoe worden deze van elkaar gescheiden in een destillatiekolom.

Doordat alle stromen, behalve koelwater, gerecycled wor-den zijn er in deze fabriek geen afvalproblemen. De enige

vervuiling van het milieu wordt veroorzaakt door thermische

~~~e

vervuiling van het oppervlaktewater. Deze thermische vervui- \ .L~_,~

ling is wel

relatief

~

groot

door de grote hoeveelheden koelwa-

~~~

ter die door de fabriek stromen.

De prOduktie van a-octylglucoside bedraagt 2000 ton/jaar. Hierbij is uitgegaan van 300 werkzame dagen per jaar, bij

volcontinue operatie. wanne~ de Return on Investment op 15

procent gesteld wordt, bedra gt de prijs voor a-octylgluco'side

f

9.500 per ton. Deze prijs igt ongeveer een factor ~O~ljlger

dan de huidige marktprijs. pit komt voornamelijk dooidat(i-~

octylglucoside nog niet industrieel wordt geproduceerd. Toch

C

lijkt a-octylglucoside goede marktpositie te kunnen

krij-gen bij deze prijs. '

-gii

~~

t'

l-

"jL

1 ~

-;

",yd

;:1(~

p

-I

, I

"~~r

3

(7)

•

II Conclusies

De kristallisatie bepaalt voor het grootste deel het proces. De grote hoeveelheid n-hexaan die wordt toegevoegd om

kristallisatie te verkrijgen zorgt voor grote stromen in de

Q

fabriek. Deze grote stromen moeten allerlei processen onder- I

gaan, met name

warmte-overdrachtsprocessen.~tromen

te

verkleinen is het misschien mogelijk om uit het reactiemengsel een groot deel van de l-octanol te verwijderen. Als dit

moge-lijk is zonder dat andere produkten neerslaan is een veel \

kleinere stroom n-hexaan nodig voor het bewerkstelligen van .Jl-r~

kristallisatie.

n;~~.

De kostprijs van a-octylglucoside die met dit proces

· )P

n

~

gehaald kan worden bedraagt ongeveer f 9.500 per ton. Deze

~ ~

prijs is iets hoger dan die van gewone oppervlakte-actieve

~rtJ(0

stoffen (2.000 tot 8.000 gulden per ton [1]). a-Octylglucoside \

stelt hier een lage toxiciteit en een goede bioafbreekbaarheid

~

tegenover. Bovendien zal a-octylglucoside grotendeels toege- t;~

past worden in produkten met een hoge toegevoegde waarde (cos- /'

metica). Bij een prijs van f 9.500 per ton zàl er voor

a-oc-tylglucoside waarschijnlijk wel een markt zijn.

Goede kinetische gegevens voor het kristallisatieproces, zoals kiemen kr'stal roeisnelheid, ontbreken. De

kristalli-sato zou daarom veel beter on worpen kunnen worden als beter .

gegevens beschikbaar zouden zijn. Om deze kinetische parame-ters te weten te komen zouden dus metingen gedaan moeten wor-den aan het kristallisatieproces van a-octylglucoside.

(8)

•

111 Inleiding

Oppervlakte-actieve stoffen z1Jn stoffen die een hydro-fiel en een hydrofoob deel in één molecuul hebben. Oppervlak-te-actieve stoffen zijn vooral bekend om hun toepassing in de wasmiddel-industrie. Ze worden echter ook voor andere toepas-singen gebruikt zoals in de cosmetica-industrie, de verf-in-dustrie en de voedsel-inverf-in-dustrie. De wasmiddelen nemen met een aandeel van 43 procent wel het grootste deel van de markt in

(zie figuur 1). wasmiddel 42.9% cosmetica 6.8%

-~

voeding 4.5% overig 17.6% textiel 16.9% verven 4.5% mijnbouw 6.8%

Figuur 1: De markt voor oppervlakte-actieve stoffen.

Oppervlakte-actieve stoffen op basis van mono- en disac-charides, zoals D-glucose of sucrose, en een vetalcohol zijn om verschillende redenen interessante verbindingen. Ten eerste zijn de uitgangsstoffen "renewables", die in grote hoeveel-heden beschikbaar zijn. De oppervlakte-actieve stoffen op

basis van koolhydraten hebben verschillende voordelen boven de conventionele oppervlakte-actieve stoffen: ze zijn goed bio-afbreekbaar en hebben een lage toxiciteit bij opname door de huid of via de mond. Dergelijke oppervlakte actieve stoffen zijn te gebruiken als emulgator in de

voedingsmiddelen-industrie, in de cosmetische industrie en als dispergeermiddel in de farmaceutische industrie. Door de hoogwaardige toepas-singen hebben deze oppervlakte-actieve stoffen een grotere toegevoegde waarde dan de stoffen die in de

wasmiddel-industrie gebruikt worden.

De huidige processen voor de produktie van oppervlakte-actieve stoffen op basis van koolhydraten leveren ingewikkelde

(9)

•

reactiemengsels, die moeilijk Z1Jn op te werken. Bij de vak-groep Organische Chemie van de TU-Delft is door straathof [2] een éénstaps-proces ontwikkeld, waarbij het gewenste produkt a-octylglucoside selectief uitkristalliseert. Het produkt kan dan eenvoudig van het ingewikkelde reactiemengsel gescheiden worden. In [2] wordt het volgende "processchema" voorgesteld:

q:

=+~r-~_G_'U_co_s_e_(O_'_49_g_)

1-0ctonol (O.35g) ____________________________ _e

-'

oi~'

Figuur c " b d c , "

2: "Processchema" voor de produktie a-octylglucoside.

Op het bovenstaande proces (inclusief kristallisatie) is patent aangevraagd door Unichema International, een dochter-bedrijf van Unilever. Vooral· door deze belangstelling uit de industrie lijkt het interessant een fabrieksvoorontwerp voor dit proces te maken.

(10)

•

. - IV Eigenschappen van a-O-octylglucopyranoside monohydraat

en het octanol/hexaan-solvent

§ IV.1: Inleiding

• Van a-O-octylglucopyranoside monohydraat (la,

a-octylglucosi-de) zijn maar weinig fysische gegevens bekend. Jeffrey [3]

~

vermeldtalleen

wat gegevens over kristallen, welke verkregen zijn uit een methanol/water-oplossing, namelijk:

-kristaldichtheid: 1.221 g/ml • -kristaldimensies: 0.62 x 0.25 x 0.13 mm -kristalstructuur: monoklien

•

Verder weten we de molecuulmassa: 310.39 g/mol.

We gaan ervan uit dat de dichtheid en kristaldimensies van a-octylglucoside uit methanol/water overeenkomen met die van a-octylglucoside uit een octanol/hexaan-mengsel. Voor de berekening van de kristallisator is het echter noodzakelijk om de volgende eigenschappen ook te weten:

- de viscositeit van het octanol/hexaan-mengsel

- de diffusiecoëfficiënt van a-octylglucoside in octanol /hexaan

- de verzadigingsconcentratie van a-octylglucoside in het octanol/hexaan-mengsel en de concentratie van a-octylgluco-side in oververzadigde toestand

Verder is het voor onder meer de enthalpiebalans nodig om de warmtecapaciteit en vormingsenthalpie van a-octylglucoside te weten.

§ IV.2: Viscositeitsberekening van het

octanol/-hexaanmengsel

Voor een vloeistof kan de viscositeit geschat worden met

,

b

~

de vergelijking van Souders [4], blz. 243. Voor mengsels van ~I

organische vloeistoffen luidt deze als volgt: ~~

1 _og(1 _og(10 _·11m))

₌

_Pm_[ XIII X M + + X M · X2I2

J

10-3 - . 2 9

n

; , - (4.

I I 2 2 I

waarin: 11

=

viscositeit, mP.?·s

~

)

r;~f

e

,

p = dichtheid, kg.m 3 _ _ _ _ -

-X

1,X2

=

mol fracties der componenten

M , M = molecuulgewichten der componenten

1 2

(11)

•

Voor een mengsel van n-hexaan en l-octanol met een volu-meverhouding van 8:1 geldt:

n-Hexaan: molfractie x,= 0.906 molecuulmassa M,= 86.18 Souders index I,= 339

1-0ctanol: molfractie x z= 0.094 molecuulmassa Mz= 130.23 Souders index Iz= 537

(Souders index volgens [4], blz. 240, tabel S.l)

Voor dit mengsel geldt voor de dichtheid: S·p + P hex oct p

=

---~~--~

=

= 0.67882 gjml ID 9 Substitutie van: -3 p = 678. 82 kg· m 8·0.6603 + 0.8270 9 = 678.82 kgjm3 ID x= 1 M= 1 I

=

1 0.906 x = 0.094 2 86.18 M = 130.23 2 339 I = 537 2 log{log{10·~)) = ID -0.2123 10·~ = 4.105 ID ~ = 0.4105 mPa·s= ID

§ IV.3: Diffusiecoëfficiënt van a-octylglucoside in het

hexaan/octanol-mengsel

Volgens Wilke

&

Chang geldt voor de diffusiecoëfficiënt van een opgeloste stof in een vloeistof ([4], blz. 255):

waarin: -13 ID = 1.173·10 . (cf>.M) o.S·T VO. 6 ~. ID d · f f · f f · · t 2 - 1 ID = 1 US1ecoe 1c1en, m . s

cf> = associatiefactor van het oplosmiddel,

(4.2)

= 1 voor niet-geassocieerde oplosmiddelen

• . -1

M = molecuulgew1cht van het oplosm1ddel, kg·kmol

~ = viscositeit van het oplosmiddel, mpa·s T = absolute temperatuur, K

V = molair volume van de opgeloste stof, m3• kmol-1

ID

(12)

•

Volgens Jeffrey [3] heeft a-octylglucoside een dichtheid

van 1221 kg/m3• De molecuulmassa bedraagt 310.39 kg/kmol. Het

molair volume van bedraagt dus:

M V = - - = PlO: 310.39 1221

=

0.2542 m ·kmol 3 -1 m stel: M

=

M

=

x M + x M

=

90. 3207

,.,.~

cf

1 1 2 2 V

Verder geldt:

~

= 1. T = -5

·e

= 268.15 K.

~

= 0.4105 mPa·s

1~ O~Cf

Y

L.I

I~t~

• • -9 2 -1

H1eru1t volgt: ([) = 1.6563·10 m·s

m

Wf~

_{_}

ç"t

~

0,1../1./

Cf

§ IV.4: De oplosbaarheid van a-octylglucoside in

hex-aan/octanol

Volgens straathof ([2], blz. 75) bestaat het evenwichts-mengsel uit de reactor voor 45% uit a-octylglucoside. Daar men uitgegaan is van 10 mmol. glucose en men door kristallisatie

uiteindelijk 2.7 mmol. a-octylglucoside krijgt, verloopt de ~~~ ~

kristallisatie met een rendement van 6P%.

~~

..Bj-?a:,,~

+'~rd<

,7.,;

10 mmol. glucose wordt omgezet naar 4.5 mmol. a-octylglu-coside. Deze reactie wordt uitgevoerd in 25 mI. octanol. Toe-voegen van 8 volumes (200 mI.) hexaan leidt tot kristallisatie met 60% rendement. 40% van het aanvankelijk aanwezige a-octyl-glucoside blijft dus achter in het hexaan/octanol-mengsel van 225 mI •• De oplossing is dan verzadigd aan a-octylglucoside.

. . . * .

De verzad1g1ngsconcentrat1e c bedraagt dus: 0.4 x 4.5

mmol. in 225 mI., dit is 2.4 gil.

Aanvankelijk was aanwezig: 4.5 mmol. in 225 mI •• De

concentratie bij oververzadiging, c, is dus 6.2 gil. (c-c·), de opheffing van oververzadiging, is dus 3.8 gil.

§ IV. 5: Vormingsenthalpie l::. Hf en warmtecapaci tei t cp van

a-octylglucoside

Voor de enthalpiebalans is het noodzakelijk de

vormings-enthalpie l::. Hf en de warmtecapaci tei t cp te weten. Ook hier moet

weer gebruik gemaakt worden van correlaties, omdat van a-octylglucoside zeer weinig bekend is.

(13)

•

Vorminqsenthalpie 11 Hf.

Volgens [5], blz. D-282 is de vormingsenthalpie van een stof te berekenen uit de verbrandingswarmte van die stof, namelijk: De vormingsenthalpie van een stof is gelijk aan de som van de vormingsenthalpiëen van de verbrandingsprodukten van die stof, minus de ~erbrandingswarmte van die stof.

Van a-octylglucoside is echter ook geen verbrandingswarm-te of iets dergelijks bekend.

Nemen we echter het volgende aan:

_aA'Jel

_~

_~.

A

~

I

~~t~1)1

11 Hf (la) =I1Hf(glucose) + I1Hf(n-octanol) (4.3) ~G/~;L

..

(want: nauwelijks warmte-effect bij de reactie)

Volgens Reid, Prausnitz en Sherwood [6] is de vormings-enthalpie van n-octanol bij 298 K: 11 Hf=-86. 0 kcal/mol

(= -2.76*103 kJ/kg).

De vormingsenthalpie van glucose dient berekend te worden met de regel uit [5].

De verbrandingsreactie luidt: C H _{6 12 6}

°

_9,2+ 6

°

₂ ~ 6 CO + 6 H ₂ ₂

°

(I)

~,

I

g

o

verbrandingswarmte van glucose: -669.94 kcal/~ol

(4.4)

Vormingswarmte van

cOz

-93.963 kcal/mol

vormingswarmte van HzO (1): -68.317 kcal/mol

Hieruit volgt:

H

11 Hf (glucose) = 6(-93.963) +6(-68.317) -(-669.94) = -303.74

t~

IIo ·Hl.O

, kcal/!!!Q-l

tt

flJ

zO

?

uit (4.3) volgt dan: 11 H_{f (la)} = -303.74 - 86.0 = -389.74 kcal- _ ... _

-/mol

=

-5_.26*103 _kJ/kg

0",1Iz!4,

·1i,a

warmtecapaciteit cp.

Benaderingen voor de warmtecapaciteit voor vaste stoffen kunnen berekend worden volgens de "Wet van Kopp" ([4]): de warmtecapaciteit van een verbinding wordt genomen als zijnde de som van de warmtecapaciteiten van de individuele elementen waaruit de verbinding bestaat (deze warmtecapaciteiten staan vermeld in [4],blz. 245, tabel 8.2) ~

Voor de warmtecapaci tei t van a-octylg ucos ide, C'4HZS06' HzO,

10 \)

N~eHL:::

Iq'

\Y

n~~

•

~

(14)

•

volgt h'

l.eruit:

Element

C Molecu 1

u gewicht

14

x

12 H 30 x 1

o

7

x

16 310

Hieruit

volgt: cp (la)

=

509.9/310

=

11

t,kr

Cp

t~r

14

x

7 ' 30

x

9. 5 = 105 .6

=

288 7

x

16.7 1.6448 J/gOC.

=

116.9 509.9 J/moloC

(15)

•

V Beschrijving van het proces

In de continue tankreactor (R2) worden l-octanol en 0-glucose in l-octanol omgezet in a-octylglucoside (officiële naam: a-octyl-D-glucopyranoside monohydraat). De reactie wordt gekatalyseerd door een zure ionenwisselaar. De temperatuur, waarbij de reactie plaatsvindt, is 90·C.

De stroom uit de reactor wordt in de warmtewisselaars H4 en H8 gekoeld van 90·C tot 30·C en van 30·C tot -S·C. Voor de

koeling tot -5·C wordt gebruik gemaakt van een compressie

koelsysteem, waarin Freon-12 circuleert. De stroom uit de

reactor wordt gemengd met de n-hexaan die uit de condensor van de destillatie komt. Deze stroom n-hexaan is via twee

warmte-wisselaars «HII) en (H7» ook gekoeld tot -S·C. De twee

stromen worden via een statische menger (M9) gemengd.

De gemengde stroom gaat naar de kristallisator (MlO). Deze kristallisator is een fluïde bed kristallisator. De vloeistofsnelheid wordt zodanig ingesteld dat de voldoende grote kristallen niet meer gefluïdiseerd worden en uitzakken. Deze kristallen worden afgevoerd via een magma-extractie pomp

(P12). De slurry met daarin de kristallen wordt naar de droger (MI3) verpompt. Het droge produkt wordt in een verpakkingsma-chine verpakt en naar de klanten getransporteerd. De damp uit de droger wordt gecondenseerd in condensor Hl6. Het condensaat wordt gemengd met de stroom (18) die naar de destillatiekolom wordt gevoerd.

De vloeistof die de kristallisator verlaat (stroom 14) wordt in warmtewisselaar Hll opgewarmd van -5·C tot 20·C met het condensaat (26) dat uit de condensor van de destillatieko-lom komt. Tegelijkertijd wordt het condensaat gekoeld van 69°C tot 30·C. stroom 21 wordt naar de destillatiekolom (T18)

gevoerd, waar de n-hexaan van het reactiemengsel wordt ge-scheiden. De n-hexaan gaat over de top en wordt na koeling in twee warmtewisselaars (Hll en H7) weer naar de kristallisator

(MlO) teruggevoerd. De bodemstroom (24) bevat l-octanol en nevenprodukten van de reactie. Deze stroom wordt in warmtewis-selaar Hl met koelwater afgekoeld van 14l·C naar 90·C. De gekoelde stroom (7) wordt gerecirculeerd naar de reactor.

(16)

•

VI Motivering van keuze en berekening van de apparatuur

§ VI.l: Reactor

Reacties en tinetiek

In de reactor moet de volgende omzetting plaatsvinden:

':40'

.

~~

_{_}

~~~

.

"c

Deze reactie wordt gekatalyseerd door een sulfonzure ionen-wisselaar. Deze ionenwisselaar levert het proton dat nodig is voor deze condensatiereactie.

Buiten deze reactie vinden er ook nevenreacties plaats. Het systeem van de optredende reacties is zeer complex. In figuur 3 staat een vereenvoudigde weergave van het reactie-systeem [2]. oet)'1 0-glucosldes

;~

___ O,

HO~OH

_HO

'F:)

0- glucose

lt

HO OH O-glueose-Qnh)'d~ldes

H:~~

\

lt

HO~OH

~

____ O,

~O

HO~

HO / di-O-gIUCOSloes'

'~~o~o,

O'-y°~OH

oetyl-dl-O-glueosides dl- O-glucose QnhyO~ides

Jt

lt

Jt

---

V-f"ugner ollgomers

Figuur 3: Reactieschema van zuur-gekatalyseerde reacties van D-glucose in l-octanol (R=octyl).

(17)

•

Dit vereenvoudigde schema is nog te ingewikkeld om te gebrui-ken bij het doorregebrui-kenen van de reactor, vooral omdat de juiste evenwichtsgegevens ontbreken. Om deze reden wordt het volgende reactieschema gebruikt [7].

/

a-octylglucoside

D-glucose

+

l-octanol

overige produkt en

Figuur 4: Sterk vereenvoudigd reactieschema voor de reacties van D-glucose in l-octanol.

Onder de andere produkt en vallen onder andere p-octylgluco-side, disuikers en hogere oligomeren.

uit onderzoek [2] is gebleken dat de reactieprodukten niet gelijktijdig ontstaan. Gedurende de reactie treedt een verandering van de produktsamenstelling op. Eerst worden a-octylglucoside èn overige produkten gevormd. Op een gegeven moment is de evenwichtshoeveelheid aan overige produkten gevormd. Er ontstaat dan netto alleen nog a-octylglucoside totdat ook daarvan de evenwichtshoeveelheid gevormd is.

Van deze reacties zijn geen goede kinetische gegevens beschikbaar. Daarom wordt gerekend met de

evenwichtssamen-stelling bij 100% conversie. Deze

-:::::::::

h

evenwichtssamens~~l~ng

'

is:

(?lA?

,~'i?

a-octylglucoside : 45%

J

tB"J1t.

n?

Overige produkten: 55%

/p"foe:/~

·

I

De reactor -

)ofV"

Omdat glucose slecht oplost in 1-octanol zal de reactor goed gemengd moeten zijn om een zo hoog mogelijke glucose-concentratie in 1-octanol te hebben. Door deze eis van goede menging vallen verschillende typen reactoren, zoals bijvoor-beeld de gepakt bed reactor, af. De reactor die het best aan de eis van goede menging voldoet is de geroerde tank reactor.

Er is gedacht aan de mogelijkheid om verschillende tank-reactoren in serie te zetten. Dit is echter niet zinvol omdat wordt aangenomen dat de kinetiek nulde-oràe (onafhankelijk van de concentratie) is [7]. Bij nulde-or e kinetiek wordt in een

enkele tank-reactor dezelfde conversi gehaald als bij

ver-schillende reactoren in serie. 14

~~-t~

R~'

un

'it

~

tyltfI

(18)

•

Na uitkristalliseren van a-octylglucoside wordt het reactiemengsel, na afscheiding van n-hexaan, weer naar de reactor teruggevoerd. De evenwichtshoeveelheden aan bijproduk-ten blijven in het reactiemengsel aanwezig. Netto zullen er dus geen bijprodukten meer gevormd worden. De enige reactie die dan nog optreedt is de vorming van a-octylglucoside. Het reactorsysteem ziet er als volgt uit:

0---0

T

_T

)

De produktie aan a-octylglucoside kristallen is 0.248 mol/s. In de stationaire toestand moet dus 0.248 mol/s

gepro-duceerd worden, omdat de 40 % a-octylglucoside die niet

kris-talliseert in de oplossing aanwezig blijft en wordt gerecircu-leerd. Omdat I mol a-octylglucoside wordt gevormd uit 1 mol octanol en 1 mol glucose zijn de volgende hoeveelheden aan 1-octanol en D-g1ucose nodig:

t = 0.248 mol/s

mol,octanol

t

=

0.248 molls

mol,qlucose

Deze stromen zijn zeer klein. In de praktijk zal zeker de glucose toevoer en waarschijnlijk ook de 1-octanol toevoer batchgewijs plaatsvinden.

De totale stroom die de reactor inkomt (grondstoffen +

recycle) bedraagt 14.61 mol/s. Deze molenstroom betekent de volgende volumestroom:

A. - 2 -3 3 -1 Y' _v - .301.10_{_} · m .s _.

uit de dissertatie van Straathof [2] blijkt dat de benodigde reactietijd ongeveer 4 uur is. De verblijf tijd in de reactor zal dus 4 uur moeten zijn. uit deze gegevens is het volume van de reactor te berekenen.

V(reactor) =

"'v.1:

= 33 m3

(19)

•

~

De standaard geroerde tankreactor ziet er als volgt uit:

I

z

i

i I B T , 1.3 m Z ~.:.3 m 0, 4 m C " L m Ui, ,: 2 m

Als uitgegaan wordt van deze geometrie voor de reactor, dan

kunnen de volgende afmetingen voor de reactor berekend worden:

diameter

hoogte

=

3.48 m

= 3.48 m

roerder diameter

= 1.81

m

Om de glucose- en ionenwisselaarsdeeltjes in suspensie te

houden is een bepaalde minimale roersnelheid nodig. Om deze

roersnelheid te kunnen berekenen zijn de volgende gegevens van

de deeltjes nodig:

Voor

voor

N

=

s

ionenwisselaar:

d

= 0.5*10-3

m

p ₌ ₁₁₅₀

_kg/m

3

O-glucose

d

= 0.5*10-3

m

p

₌

1560

kg/m

3

diverse typen roerders geldt de volgende

het minimaal benodigde toerental:

d

O .2 [

I:J.p]

0. 45 [

Tl]

0. 1 0.13

[T]

n 1.3

* - - .

g . - . - .X •

0

DO. ss P c P c

correlatie [8]

(6.1)

=

dichtheid vloeistof

'

waarin:

p c T = 2.3

n

=

0.80

voor propellerroerders

=

1.30

voor turbine en vlakke blad roerders

X

=

concentratie vaste stof in suspensie

In (9] staat beschreven dat propellerroerders de beste menging

geven. Om deze reden is gekozen voor een propellerroerder.

Als de glucosedeeltjes zijn gesuspendeerd dan zijn de

ionenwisselaarsdeeltjes dat ook omdat de dichtheid van de

ionenwisselaar kleiner is dan die van glucose, terwijl de

deeltjesgrootte gelijk is verondersteld. Als we in de

bereke-ning aannemen dat er alleen glucose gesuspendeerd wordt

(io-nenwisselaar als glucose meenemen) dan zal de schatting voor

het toerental te hoog zijn. Het berekende toerental zal dus

ruim voldoende zijn om het mengsel van glucose- en

(20)

•

laarsdeeItjes in suspensie te houden. De massafractie aan vaste deeltjes bedraagt:

x

= 0.1079

Voor een propellerroerder kan dan via (6.1) het volgende mini-maal benodigde toerental berekend worden:

N

=

0.1090 l/s

• Voor het roeren is een bepaald elektrisch vermogen nodig .

•

. ' Dit vermogen is te berekenen aan de hand van een

vermogens-kental, dat is af te lezen uit figuur N.l. Om dit kental af te lezen moet het getal berekend worden. Het Reynolds-getal is in dit geval als volgt gedefiniëerd:

Re

=

N.D

2

.p

=

0.1090*1.812*829 5

=

2.11.10

~ 1.4.10-3

uit figuur N.1 wordt dan de volgende waarde voor het

vermo-genskental (Pv) afgelezen (curve 6):

Het benodigde roervermogen kan nu via de volgende vergelijking berekend worden:

3 5

P

=

P • _v P • N • D

=

31 kW

§ VI.2 Ontwerp van kristallisator MlO

§ VI.2.1: Kristallisatie

Inleiding

Bij het ontwerp van een kristallisator zijn over het algemeen twee grootheden van belang, namelijk de kristalgroei-snelheid en de kiemvormings- of nucleatiekristalgroei-snelheid. Dit zijn echter twee grootheden die voor elk systeem experimenteel bepaald moeten worden en welke in dit geval niet bekend zijn. Er is dus niets over de kristallisatiekinetiek bekend. Wel is het mogelijk om aan de hand van de theorie van diffusie een schatting van de groeisnelheid te maken, om zo toch een kris-tallisator te kunnen dimensioneren.

(21)

•

Hoewel de diffusietheorie grote tekortkomingen kent,

I

kunnen kristalgroeisnelheden makkelijk in diffusionele termen ~,~

gemeten en uitgedrukt worden. Door het gebruik van de modellen ~~)~~

voor stofoverdrachtsprocessen is de diffusionele benadering (

'/1

I

van kristalgroei, ondanks de beperkingen, bij uitstek geschikt _,

_.

voor de (aankomend) . chemisch technoloog.

Voor een volrêdig overzicht van de theorieën over kris-talgroei wordt verwezen naar één van de vele boeken die over kristallisatie verschenen is, zoals bijvoorbeeld [10], [11] en

[12].

Diffusie-qelimiteerde kristalqroei

Wanneer men aanneemt dat een kristallisatieproces

volle-dig diffusie-gelimiteerd is, moet het mogelijk z~Jn voor de

groeisnelheid een relatie af te leiden waarmee deze geschat kan worden.

In het geval van diffusielimitatie bij kristalgroei is de

molecuul flux F gerelateerd aan de concentratiegradiënt dc,

middels: d

F

=

[[)-~ _dx _(6.2)

waarin: x = weglengte voor diffusie

~ = diffusiecoëfficient

Voor een bolvormig heid dn/dt (molis) oppervlak, straal gegeven door: r, wordt de diffusiesnel-dn dt - 4rrr 2 10--dc _dr (6.3)

Op ieder moment is dn/dt constant. Men kan dan vgl. (6.3)

integreren volgens: _c _r

41lIl-J

~c

=

dnJ

2dr dt 2 C r r 1 1 (6.4) ofwel: dn 4rrlO (c -c ) 2 1 dt = 1 1 (6.5)

-

_r

--

_r 1 2

•

Voor r₁=r (oppervlak van de bol) is c=c

(evenwichtsverzadi-gingsconcentratie) en voor rz->oo is cz=c (bulkvloeistofconcen-tratie). Dit resulteert in:

dn •

- = 4rrrlO (c-c )

dt (6.6)

De volumetoename van het deeltje, dV/dt, is gelijk aan de diffusiesnelheid dn/dt vermenigvuldigd met het molair volume

V m: dV = V _ dn ( 6 • 7 )

dt m dt

18

(22)

~~~-•

•

De volumetoename dV/dt is echter ook gelijk aan de lineaire groeisnelheid dr/dt vermenigvuldigd met het oppervlak van het deeltje: ofwel: dV dt

=

A· dr dt dr dt =

~,/,

Voor een bol geldt: A = 4rrr2---

t>ff'

Substitutie van (6.6) en (6.10) in (6.9)

•

I[)·V (c-c ) dr . m dt

=

r -(6.8) (6.9) (6.10) levert: (6.11)

In geval van vallende deeltjes wordt de groeisnelheid versneld • door convectie rond die deeltjes. Het rechterdeel van

verge-lijking (6.11) dient daarom vermenigvuldigd te worden met een factor F waarvoor geldt:

•

F

=

(l+A) 0.285 (6.12) waarin: 3 A

=

2r ·g·llp 9·1[)· 11

Bij een kristal beschouwt men tieke afmeting. Er geldt: r

=

(6.13) (zie een diameter L 1 -'L 2

•

dL 4FII)·V (c-c ) m Hieruit volgt: dt

=

L waarin: F

₌

(1+A)0.285 3 en: A

=

L _36.(1)'11·g·llp Nielsen, [13]) als karakteris-dL = 2' dr dt dt (6.14) (6.15) (6.16)

De kristalgroeisnelheid G is gelijk aan de lineaire • groeisnelheid dL/dt en is in het geval van

diffusie-gelimi-teerde kristalgroei van omstroomde deeltjes:

•

G

=

0.285 • 4(1+A) ·1I)·V·(c-c) m L (6.17) waarbij: -1 G

=

kristalgroeisnelheid, m·s 2 -1

I[)

=

diffusiecoëfficient van opgeloste stof in solvent, m ·s

(23)

•

• v

= molair volume van het kristal, m3 0 kmol-t

m -3

C = bulkconcentratie van de opgeloste stof, kmolom -3 c·= verzadigingsconcentratie van opgeloste stof, kmolom L = karakteristieke deeltjesgrootte, m en: 3 A

=

L ogollp 36010011 waarin: _-2 g = zwaartekrachtsversnelling, mos IIp = dichtheidsverschil tussen kristal 11 = viscositeit van het solvent, Paos

§ VI.2.2: Design van de kristallisator

:Inleiding

-3 en solvent, kgom

In de moderne kristallisatie technologie richt men zich vooral op het verkrijgen van een uniforme produktgrootte en op het beïnvloeden van het kristalgroeigedrag om kristallen te verkrijgen welke het meeste geschikt zijn voor de verkoop en • meerdere toepassingen. De produktie van dergelijke kristallen

wordt meestal uitgevoerd in classificerende kristallisatoren, waarin de groeisnelheid rechtstreeks gecontroleerd en beheerst wordt. Het meest toegepaste model is de Kristal of Oslo kris-tallisator ([12], blz. 53) welke in essentie bestaat uit een • cylindrisch lichaam waarin door het midden een circulatiepijp

loopt (zie figuur 5).

•

• I

~

I

L _ ... _

Figuur 5: De Oslo of Krystal kristallisator volgens het gesuspendeerde bed principe.

(24)

•

• De oplossing wordt, na op een bepaalde manier

oververza-digd te zijn gemaakt, in deze pijp geleid. De stromende

oplos-sing vormt in deze pijp een fluïde bed van groeiende

len. Hierdoor classificeert de stromende oplossing de

kristal-len volgens hun grootte: de groteren accumuleren bij voorkeur

in de onderste delen van het ge fluïdiseerde bed, waar

kristal-len die de gewenste grootte bereikt hebben aan de

kristallisa-tor onttrokken kunnen worden. De kleinste kristallen worden in

de hogere delen gehouden. In het proces van continue groei

zullen de kristallen zich langzaam naar beneden verplaatsen

door de vloeistof onder invloed van hun toenemende afmeting

en, wanneer deze afmeting dusdanig is geworden dat de

stromen-de vloeistof ze niet meer gefluïdiseerd kan houstromen-den, worstromen-den ze

afgevoerd en kan de resulterende produkt-suspensie gescheiden

worden in kristallen en vloeistof, door bijvoorbeeld een

centrifuge. De oververzadiging van de oplossing gaat verloren

bij de passage door het fluïde bed (door stofoverdracht naar

de kristallen) maar kan weer hersteld worden, zodat de

vloei-stof weer naar de kristallisator geleid kan worden. Bij bi

j - / ~

voorbeeld de Kristal-kristallisator gebeurd dit door verdam-

.

ping van het oplosmiddel.

~

A~leiding van de basis-designvergelijkingen

In het geval van de kristallisatie van a-octylglucoside

(la) wordt oververzadiging gerealiseerd door toevoeging van

een tweede solvent en niet bijvoorbeeld door verdamping van de

solvent. De kristallisator kan niet berekend worden als zijnde

bijvoorbeeld een Kristal-kristallisator, maar wel is het

mogelijk om de kristallisator te berekenen aan de hand van

basis-designvergelij kingen , zoals een massabalans, welke

altijd gelden, ongeacht de manier van oververzadigen (zie ook:

[10], blz. 354 e.v.).

Zoals gezegd werken vele classificerende kristallisatoren

volgens het gesuspendeerde of "fluïde" bed principe. Onderin

de kristallisator wordt dan een oververzadigde stroom geleid.

Deze stroom bevat een aantal kiemen, welke onder invloed van

de oververzadiging uitgroeien tot kristallen van een bepaalde

produktgrootte,

Lp (L

=

karakteristieke deeltjesgrootte) .

Hierdoor neemt de effectieve oververzadiging, S (het verschil

in oververzadiging van de in- en de uitgaande stroom), af.

(25)

•

~ ~ ,~c=~c ,L=L v , u i t 0 0 x+dx x ~ ,~c=~c ,L=L v, in p p

In een perfect classificerende kris-tallisator hebben de deeltjes onderin

een grootte

lp

en hebben de deeltjes

bovenin het fluïde bed een grootte

~, welke overeenkomt met de grootte

van de kiemen, die toegevoegd worden aan het bed (de kiemen zijn de klein-ste deeltjes welke in het bed voor kunnen komen).

Beschouwen we nu een plakje van het fluïde bed met dikte dx, dan geldt:

Opheffen van oververzadiging = groei van kristallen (6.18)

In het plakje dx neemt dan de oververzadiginq af van I1c_x tot

~ c_X+

dx en groeit een kristal van gewicht a· p . L

3

d tot een gewicht

3 c x+ x

a·p ·L . In het plakje dx bevinden zich N kristallen. Men kan

c x

dan voo~ massabalans (6.18) ook wel schrijven:

~ (~c - ~c )

=

a·p ·N· (L3 - L3 ) (6.19)

v x x+dx c x x+dx

Beschouwen we nu de hele kristallisator dan volgt hieruit voor de overall-massabalans:

~ (~c - ~c) = a·p ·N· (L3 - L3) (6.20)

v p e p

Hierin is N het totale aantal kiemen dat per

tijdseen-heid de kristallisator binnenkomt.

Bij de berekening van de kristallisator zullen we aanne-men dat er geen ongecontroleerde nucleatie plaatsvindt, en dat

dus de toevoersnelheid N van de kiemen constant is; dat deze

kiemen een grootte hebben van ~, zijnde de kleinste deeltjes

die nog in de kristallisator aangetroffen kunnen worden. Deze vereenvoudiging komt overeen met het praktische geval dat de overmaat aan kiemen afgevoerd en heropgelost wordt.

Onderin het fluïde bed worden de kristallen met grootte

lp

afgetapt. Dit levert een kristalproduktie P, waarvoor geldt:

3

P

=

a·p ·}I·L (6.21)

c p

Substitutie in de massabalans levert:

~ (~c

-

~c)

=

P [ 1

v p (6.22)

(26)

•

ofwel: Ac

=

Ac -

~[

1 -p tIJ v (6.23)

De totale oppervlakte A en massa M van de kristallen in een kristallisator met een inhoud van N kristallen met grootte L zijn: 2 A = f3-N-L 3 M

=

(X-p-N-L c

hierin zijn ex en ~ vormfactoren.

(6.24) (6.25)

Uit (6.25) volgt: dM = 3 -(X -p -N -L -dL 2 (6.26)

c

De kinetiek van kristalgroei kan beschreven worden met:

dM n

dt

=

kq-A-Ac (6.27)

Substitutie van (6.24) en (6.26) in (6.27) levert:

G

=

ddtL

=

_3-(X-p(3 - k - Ac_q n

c

(6.28)

Substitutie van (6.23) in bovenstaande vergelijking leidt tot:

G = f3 - k - Acn [ 1

3-(X-p q p

c

(6.29)

Normaal gesproken is de oververzadiging in een oplossing, welke het fluïde bed verlaat, niet nul, maar heeft een zekere positieve waarde, namelijk:

L3

Ac = Ac -

~

( 1 -

_0)

(

6 • 30)

°

p tlJv L3

p

In de praktijk geldt over het algemeen:

L

3_o

«L

3 en dus:

p Ac

=

Ac (1 - 1') o p (6.31) Ac_o p l'

=

1 - Ac

=

tIJ -Ac p v p

waarin:

=

opheffen van oververzadiging uit (6.29) volgt dan dat: G = G

p [ _(6.32) p waarin: G= f3 k -p 3-(X-p q c (6.33)

G_p is de groeisnelheid, welke bereikt wordt onderin de

(27)

•

• tallisator, bij deeltjes met grootte

Lp'

•

de

Gaan we in de kristallisator uit van oververzadiging, ofwelr=l , dan volgt

_ (L )

3n

G - G_p

L

p

Er geldt:

totale opheffing van hieruit: (6.34) (6.35) dL G ofwel: = p • L3n (6.36) dt L3n p

Gedurende de kristalgroeitijd ~ groeit een kristalkiem met karakteristieke grootte ~ tot een produktkristal met

karakte-ristieke grootte

Lp.

ofwel:

J:~~

=

L;=

J~dt

(6.37)

Lo 0

Voor het geval n=l geldt dan:

L p G p 3n-l L p L L 2

~

=

2'~p[(L:)

- IJ

.

~ (6.38) (6.39)

Beschouwen we kristallisatie als een louter diffusioneel proces, dan geldt: waarbij: 4'F'!D'V ·/}.c G= p F

=

(l+A) 0.285 A

=

3

2'L

'g./}.p p 72'10'11 L p m p (6.40) (6.41) (6.42) In de afleiding van deze relatie voor de groeisnelheid is uitgegaan van een bolvormig deeltje met diameter L. Bij be-schouwing van de karakteristieke grootte L van een kristal is

(28)

•

• deze grootte arbitrair gekozen, maar is zeker geen diameter.

Van belang voor de groei is echter de oppervlakte van het deeltje. Een kristal met grootte L heeft hetzelfde oppervlak

als een bolletje waarvan de diameter-gelijk is aan de zgn.

"oppervlakte-equivalente diameter". Substitueert men in (6.40)

• dus d_s voor L dan krijgt men toch de juiste waarde voor de

groeisnelheid.

•

§ VI.2.3: Dimensionering van de kristallisator

Voor het ontwerp van de kristallisator gaan we uit van volledige opheffing van de oververzadiging, ofwel:

'1=1, hieruit volgt: P = 1

'" - f:.c y p

Uitgaande van een produktie van 77.2 gjs (2000 t j j , 300

werkzame dagen) en een maximale oververzadiging 11 cp van 3.8 gjl

(zie §IV.4), volgt hieruit voor de moederloogdoorzet tv:

"'y

=

f:.;

=

7~:;

=

20.32 liter per seconde p

Voor het mengsel octanoljhexaan is berekend voor de

viscositeit (zie § IV.2): ~= 0.4105-10-3 Pa-s

Voor a-octylglucoside is berekend voor de

diffusiecoëffi-ciënt in het octano~jhexaan-mengsel (zie § IV.3):

10= 1.656-10-9 m2_s-t (T = -5 oe) Verder geldt: I1c = 3.8 gjl

=

3.8 kg-m-3= 1.224-10-2 kmol-m-3 p 3 V

=

0.2542 m jlanol ID f:.p= P - P c f -2 g= 9.81 mos -3 Pc= 1221 kg-m [3] P_f

=

678.82 kg-m-3 (zie IV.2) Hieruit volgt: f:.p= 542.18 kg-m-3

Het produkt van de kristallisator dient een deeltjesgrootte

L _p te hebben van 2· 10 -3meter, wat overeenkomt met een

oppervlakte-equivalente diameter d van 3.3050-10-3meter.

3 s

2-d -g-l1p

Hieruit volgt: A= s

=

7.832.106 (d gesubstitueerd voor L)

72-1O·~ S p

F= (1+A) 0.285= 92.2

Substitueren we in vergelijking (6.40) d voor L , dan volgt

S p

hieruit voor de groei snelheid G : p 25

(29)

•

G= p 4·F·ID·V ·llc ID p d s

=

5.75.10-7 m·s -1

Kiezen we het fluïde bed zodanig dat de kleinste kristallen die nog in het bed voorkomen een karakteristieke

deeltjes-grootte

La

hebben van 5*10-4m, dan volgt hieruit voor de

kris-talgroeitijd r: -r

=

L p 2·G p

[[

~: ]2_

1 ] = 4.31.10' seconden

~

12 uur

Voor het gewicht Waan kristallen in het bed geldt dat

deze gelijk is aan de dichtheid van de kristallen p

verme-c .

nigvuldigd met het totale volume aan kristallen V_{e '}

gecorr1-geerd met een vormfactor a: W

=

a·p ·V (6.43)

c c

Het volume van een fractie deeltjes met grootte Li is gelijk

aan L_i3, vermenigvuldigd met het aantal deeltjes van die

groot-te, Ni. Men krijgt dan het totale kristalvolume V_e door deze

fracties te sommeren van

La

tot Lp' ofwel:

L

p

L

p

V= _c

N

L3 dus: W = _a·p

·IN

_L3 (6.44)

L 1 1 c 1 1

0 _L

0

Dit komt overeen met de situatie dat alle N in de

kris-tallisator aanwezige deeltjes een gemiddelde diameter L

hebben met overeenkomstig volume

E

3 _, _ofwel:

L p \""" N L 3

=

N·

E

3 ( 6 • 45)

L

1 1 L o 3

Voor produktie P geldt: P

=

a·pc·N·Lp waarbij N het

aantal kiemen per tijdseenheid is dat de kristallisator bin-nenkomt en uitgroeit tot produkt met karakteristieke

deeltjes-grootte ~. In dit geval treedt er geen ongecontroleerde

nucleatie op en geldt: N

=

N·-r (6.46) ofwel: W = a·p ·N·-r·L -3 (6.47) c -3

=

P·-r·L L3 p

Het volume -3 L van de deeltjes met gemiddelde diameter L

(30)

•

L is: P -3 1

JL'dL

1 L= =

_4"

L -L p 0 (6.48) L 0 dan geldt:W= (6.49) Voor geldt dan: W = 1109.1 kg

Wanneer we nu een schatting hebben van de porositeit c van het fluïde bed, kunnen we het volume V van het fluïde bed en daarna de hoogte H bepalen.

Hiertoe dienen we eerst de minimale fluïdisatiesnelheid van de gesuspendeerde produktkristallen te bepalen. Voor

vloeistof-gefluïdiseerde bedden is, volgens Davidson, Clift en Harrison ([14], blz. 21) met de methode volgens Limas-Balles-teros het beste resultaat te verkrijgen. Deze luidt:

0.0114·Ga 'M

r-

12 Hierbij is: Re = het Reynoldskental mf u'd 'p

c;

(6.50) s v

bij minimale fluïdisatiesnelheid

s f

=

-TI waarin: u = superficiele vloeistofsnelheid

d = oppervlakte-equivalente diameter

s

p = dichtheid van de vloeistof

f

TI = viscositeit van de vloeistof Cl = weerstandscoefficient van het deeltje, beschouwd als

zijnde een star deeltje C

I= CI(~,Re) Ga = Galileo-kental, betrokken op d s s

=

d3.p2.g s f 27

(31)

•

~ = sfericiteit van het deeltje = verhouding van oppervlak van een bol met gelijk volume tot het oppervlak van het deeltje p _ p

M = dichtheidsverschil , c f

v Pf

Volgens Jeffrey [3] heeft een a-octylglucoside kristal de volgende afmetingen (qua verhoudingen): 0.62xO.25xO.13 mmo Nemen wij de middelste afmeting als zijnde

lp,

de karakteris-tieke afmeting, welke gesteld is op 2 mm., dan zijn de verhou-dingen: 4.96x2x1.04 mm

Van zo'kristal is:

-3 3 -9 3

volume V= (4.96°2°1.04) (10 ) = 10.3168°10 m -3 2

oppervlak A= 2°(2°1.04 + 1.04°4.96 + 2°4.96) (10 ) = 3.4317 010-5m2

Voor een bol met gelijk oppervlak A geldt: A = 4 0rror2

-3 -3

Hieruit volgt: r= 1.6525°10 , dus d = 3.3050°10 m

s

4 3

Voor een bol met gelijk volume V geldt: V = Jorror

° ° -3

H~eru~t volgt~ ~= 1.3505°10 , en het oppervlak van deze bol is dan 2. 2918 ° lOm

Hieruit volgt voor de sfericiteit ~ van het kristal: 2.2918 °10-5

~= 2. 4317 ° 10 5 = O. 6678

In industriële kristallisatoren bedraagt de superficiële vloeistofsnelheid Us ongeveer 4 cmjs ([10], blz. 362).

In dit geval geldt: d = 3.3050 010-3m

s

P f = 678. 82 kg ° m -3

~ = 0.4105°10-3 Paos , dan is Re ~ 218 Hieruit volgt voor weerstandscoëfficiënt Cl (zie: Davidson, Clift en Harrison, [14], pag. 18, tabel 1.4):

C = 2.53 - 0.2830e2.30~ (6.51) I ~ = 0.6678, dus geldt: C = 1.2153 I Ga = 9. 865 ° 105 s M = 0.7987 v

Substitutie in vergelijking (6.50) levert: Re = 152.95

mf

Dan geldt: u = 2.8 °10-2 mo S-l

mf

De minimale fluïdisatiesnelheid u_mf bedraagt dan 2.8 cmjs (Dit

(32)

•

betekent dat deeltjes met Lp>2 mmo zullen bezinken en verzameld en afgevoerd kunnen worden).

Nu is het mogelijk om de bedexpansie te berekenen. Volgens Limas-Ballesteros geldt ([14],blz. 17):

Ga 'M

1.61.",1.35._e-4.94 = S v (6.52)

o •

75 ( 2 4 . Re

+

C . Re 2) s I s

Hierin is: e = porositeit van het fluïde bed Re = 152.95 S Ga = 9. 685 . 105 B '" = 0.6678 M = 0.7987 v

dan volgt hieruit: e = 0.4887

Dit is de porositeit onderin het fluïde bed, omdat bij de berekening uitgegaan is van kristallen met de afmetingen van de produktkristallen.

Wanneer we nu een gemiddelde bedporositeit

e

weten, kunnen we een schatting maken van de hoogte H en het volume V van het fluïde bed.

e

kunnen we schatten door aan te nemen dat dit de poro-siteit is van een bed met deeltjes van een gemiddelde karakte-ristieke grootte L.

Voor

E

geldt:

(6.53)

Wanneer Lp=2*10·3 en La=5*10·4, dan volgt hieruit:

- -3

L = 1.3849·10 m

Het kristal heeft dan de afmetingen: 0.7201 x 1.3849 x 3.4346 mm

-3

Hiervoor geldt: V = 3.4254·10 m

-5 2 . -3

A = 1. 64 54 . lOm , dan 1. s : d

=

2. 2 88 6 . lOm

S

Voor een bol met gelijk volume geldt: r

=

9.3513.10-4 m

-5 2

Deze bol heeft een oppervlak van: 1.0989·10 m De sfericiteit van het deeltje met karakteristieke

-5

. t - . d ./, 1. 0989 . 1 0 0 6679 deelt]esgroot e L 1.S an: ~ = 1.6454.10 5 = .

(33)

•

u

=

d = s p

=

f TI = 2.8'10-2 m's-1 } 2.2886'10-3 m Re

=

678 • 82 kg' m - 3 Ga

=

0.4105'10- 3 Pa.s S 106 3.2156'105 C = 1.2153 I M _y= 0.7987 Substitutie in (6.50) levert:

c

=

0.5318 Voor het fluïde bed geldt:

c=

1-~ ofwel: V=-___ W ____ _

p 'V

c

= 0.5318 } -3 Pc= 1221 kg' m W = 1109.1 kg c p' (1 - c) c V = 1. 94 m3

Het vloeistofdebiet ~v bedraagt: 20.32*10-3 m3/s.

De superficiële vloeistofsnelheid Us bedraagt: 2.8*10-3 mis.

(6.54)

Voor het doorstroomde oppervlak, A, van het fluïde bed geldt:

rpy

2

A = -- = 0.7257 m

Us V

De hoogte H van het fluïde bed: H =

A

= 2.67 m

De "prestatie" van de kristallisator, uitgedrukt als "Sepa-ration intensity" SI, bedraagt: L .p

SI

=

_ P

-V (6.55)

waarin: Lp is de produktgrootte (in mm), P de produktie (in kgjh) en V het suspensievolume (in m3) •

Lp=2 }

-3

P

=

77.2';0 '3600 = 277.92 V= 1.94 m

SI

=

286.5

Volgens Davidson, Clift en Harrison geldt voor de drukval over het fluïde bed ([14], blz.22):

l1P = (l-c)' (p - P ) . g' H (6.56) c f

-

~ ~ c = c = 0.5318, P = 1221 kg·m , p = 678.82 kg'm c f -2 g

=

9.81 m·s

Stel: L is de hoogte van de kristallisator, waarbij we

2 meter bovenop erbij tellen ("overhead"), en onderaan nog 0.5 meter (zgn. "settling zone"). De totale hoogte bedraagt dan 4.17 , zeg, 4.5 meter (H

bed = 2.67 m).

Hieruit volgt: l1P= 0.14 bar.

De uiteindelijke vorm (constructief gezien) van de kris-tallisator zal weinig verschillen van de algemene uitvoering van een classificerende kristallisator volgens het gesuspen-deerde bed principe, zoals de Oslo-kristallisator in figuur

s.

Alleen zal de manier van oververzadigen anders zijn.

(34)

•

§ VI.2.4: Conditioneren van de kristallisator

Om de kristallisatie goed te laten verlopen, dient de kristallisator op -5 °C geconditioneerd te worden met behulp van een koelsyteem met Freon-12 als koudedrager. De tempera-tuur kan oplopen als gevolg van:

1- Warmte inlek van buitenaf, en

2- Het vrijkomen van kristallisatiewarmte

1- De warmte in1ek van buitenaf is afhankelijk van oppervlak A

en temperatuursverschil dT, volgens: Q = ku-A-dT

Voor een schatting van het oppervlak dienen we eerst de geome-trie van de kristallisator vast te leggen. In principe bestaat de kristallisator uit twee concentrisch geplaatste buizen (zie figuur 5). In een van de buizen wordt de moederloogoplossing naar beneden gepompt, waarna in de tweede buis een fluïde bed gevormd wordt door de opwaarts stromende vloeistof. Verdeling van de vloeistof kan het beste gebeuren wanneer deze via de binnenste buis naar beneden stroomt.

De doorsnede van de binnenste buis is 0.73 m2; willen we de vloeistofsnelheid in beide buizen gelijk houden, dan volgt hieruit voor de diameter van de buitenste buis: D_u=1.40 m.

(Dit is dan inclusief de wanddikte van beide buizen, geschat op 1 cm.) Rekenen we voor de aan te brengen koelmantel 10 cm. extra dan wordt de buitendiameter 1.5 meter. Het totale warm-teoverdragend oppervlak A is dan gelijk aan:

A

= rr-D-H

1 = rr-1.5-3 = 14.14 m 2

Hierin is D de uiterste diameter van de kristallisator en is Hl de hoogte van het fluïde bed.

Het geschatte temperatuursverschil bedraagt 20 - -5 = 25 ·C. Volgens [15], blz. 109, geldt voor

warmteoverdrachtscoëffici-waarbij: h'= h(lucht) = 10 Wjm2K h' fase 1 i\ h' I fase 2 wand h"= h(kokende vloeistof) = 9.500 Wjm2K

stel: de kolom is gemaakt van hetzelfde materiaal als de warmtewisselaars. Dan geldt: i\ = 60 W-K-1_{_m-}1

(35)

•

Q = 9.901'14.14'25 = 3.5 kW

2- De hoeveelheid warmte, die vrijkomt door kristallisatie, is gelijk aan de produktiesnelheid P vermenigvuldigd met de

kristallisatiewarmte dHkrist' Volgens Mullin [10] is de kris-tallisatiewarmte in de praktijk even groot, maar tegengesteld

van teken, als de oploswarmte. Dan geldt _{f1Hkrlst= -f1Hsoln}

Voor organische stoffen in alcohol is de kristallisatiewarmte dan ongeveer 10 kcal/mol = 41.868 kJ/mol ([10]).

De produktiesnelheid P bedraagt 77.2/310 = 0.25 mol/s, dus is de geschatte warmte, die vrijkomt bij kristallisatie

o = O. 25 . 41. 868 = 10. 5 kW

~rlst

Q _totaal= 3.5

+

10.5 = 14 kW

• _{De benodigde massastroom Freon-12, mk, bedraagt dan (r= 160.05}

kJ/kg) :

•

9. =

14 r 160.05

=

0.09 kg/s

§ VI.2.5: Afvoer van de kristalslurry uit de

kristallisa-tor met behulp van de magma-extractiepomp P12

Het produkt wordt aan de kristallisator onttrokken als een slurry, waarvan we stellen dat de maximale porositeit overeen-komt met die van onderin het fluïde bed (door bezinken zal de porositeit allicht lager zijn).

Voor de massa fractie kristallen van de stroom, me' geldt:

Pc m= c P+ _c p ' f V f want: C

=

V-V f V +V f c tot m= c M + M c f M c P c 'V c

=

_P'V ₊ _P _'V c c f f

(l:C)

=> V

=

V' C f c 1-c

P

'V c c

=

P

_c'V _c + P 'V

(~)

f c 1-c De maximale porositeit: c = 0.4887 (6.50)

=

P+ _c -3 -3

P = 1221 kg·m , p = 678.82 kg·m =>minimale massa fractie m = 0.6533

c f c

De vaste stof produktie P bedraagt 77.2 gis (dichtheid: 1221 kg/m3) . Totaal wordt er dus aan de kristallisator onttrokken:

77.2/0.6533

=

118.17 gis. De vloeistofstroom bedraagt dus

40.97 gis (dichtheid: 678.82 kg/m3) .

(36)

•

De totale vloeistofstroom bedraagt dan 12.3*10-5 m3/s, de

totale massastroom 118.17*10-3 kg/se De slurry heeft dus een

schijnbare dichtheid van 118.17*10-3/12.3*10-5

=

960.7 kg/m3•

Afvoer van de produktslurry uit de bodem van de kristal-lisator gebeurt door een zogenaamde magma-extractie pomp,

welke de slurry naar de droger transporteert. Volgens Bamforth ([12], blz.186) geldt voor de opvoerhoogte, welke door de pomp geleverd moet worden, dat deze, uitgedrukt in meters kristal-slurry, gelijk is aan:

Opvoerhoogte H = ( P

+

H

+

H ) - (P

+

H - H )

waarin: a 0 fd L s fs

P=

a

10.33

U

u

= relatieve slurry dichtheid

Ho= statische opvoerhoogte pompperszijde, uitgedrukt in meters kristalmagma

H_fd

=

drukverlies in de persleiding,

in meters magma

P

=

absolute druk, in meters water

L U

H

=

statische opvoerhoogte aan de zuigzijde,

s in meters magma H

=

drukverlies in zuigleiding, fs in meters magma

-u

₌

---E-

= 960.7 ₌ _0.9607 1000 1000 P= Ptot/ (p water .g) 1.10 5 /(1000.9.81) = L U 0.9607 10.33 Pa= 0.9607 = 10.8 meter = 10.6 meter (6.59)

H = 4.5 meter _s Stel: H = 2 meter, H = 10 meter, H = 3 meter _fs _fd

0

Dan is de te leveren opvoerhoogte H : H = 10.7 meter magma Volgens Perry, [16], bladzijde 6-5, geldt dan voor het vermogen, dat door de pomp aan de vloeistof geleverd wordt: Vermogen = opvoerhoogte·capaciteit·dichtheid 3.670.105 (6.60) (in kW, capaciteit in m3/h) Opvoerhoogte = 10.7 meter Capaciteit = 12.3.10-5 m3/s= 0.4428 m3/h dichtheid = 960.7 kg/m3

Het vermogen bedraagt dan 12.4.10-3 kW.