Laboratorium voor Chemische Technologie
V e r s l a g b e h o r e n d e bij het f a b r i e k s v o o r o n t w e r p v a n J.A.Brederode en.D.I.Pljf^, o n d e r w e r p : .Bereiding, v .ö^idÄtiß.y.e..JQebor.dr.QgßxxErijag...yan..JEtharLQl, o p d r a c h t d a t u m : 1 . 1 2 . 1 9 7 5 v e r s l a g d a t u m : 2 1 . 4 . 1 9 7 6De b e r e i d i n g v a n a c e e t a l d e h y d e d o o r o x i d a t i e v e d e h y d r o g e n e r i n g v a n e t h a n o l G a p r i l 1976 D . I p p e l J . A . B r e d e r o d e J a c . v . B e i e r e n l a a n 71 B a g i j n h o f 35 D e l f t D e l f t C G
I n h o u d . 1. S a m e n v a t t i n g . 2. I n l e i d i n g . 3.1» U i t g a n g s p u n t e n v o o r h e t o n t w e r p . 3.2. U i t g a n g s p u n t e n v o o r de r e a k t o r . 4» B e s c h r i j v i n g v a n h e t p r o c e s . 4.1. Mengen en v e r h i t t e n v a n de v o e d i n g 4*2. A f k o e l e n en c o n d e n s e r e n . 4.3. A b s o r p t i e . 4.4. O p w e r k i n g v a n p r o d u k t e n . 5. B e r e k e n i n g v a n de. a p p a r a t u u r . 5.1. R e a k t o r R2. 5.2. W a r m t e w i s s e l a a r H3. 5*3. W a r m t e w i s s e l a a r H1. 5.4» W a r m t e w i s s e l a a r H5. 5.5. C o n d e n s o r 116. 5.6. C o n d e n s o r H9. 5.7. C o n d e n s o r H17. 5.8. W a r m t e w i s s e l a a r H12. 5.9. W a r m t e w i s s e l a a r H19. 5.10. A b s o r b e r T 2 3 . 5e1 1 . D e s t i l l a t i e k o l o m T 1 0 . 5 . 1 2 . D e s t i l l a t i e k o l o m T14. 5.13. D e s t i l l a t i e k o l o m T 2 0 . 5.14. D e s t i l l a t i e k o l o m T24. 6. I n v e s t e r i n g e n . 7. M a s s a - en w a r m t e b a l a n s . 8. S y m b o l e n l i j s t . 9. L i t e r a t u u r . 10. B i j l a g e n . 11. F i g u r e n
1. S a m e n v a t t i n g
D i t v e r s l a g b e s c h r i j f t de b e r e i d i n g v a n a c e e t a l d e h y d e u i t e t h a n o l en z u u r s t o f . De o p z e t v a n h e t r e a c t o r s y s t e e m i s om g e b r u i k t e maken v a n een c o m b i n a t i e v a n twee m o g e l i j k e b e
-r e i d i n g s w i j z e n n . 1 . de o x i d a t i e van e t h a n o l en de d e h y d -r o - 0'< g e n a t i e van e t h a n o l .
Door d e z e twee r e a c t i e s samen t e v o e g e n o n t s t a a t de moge- , l i j k h e i d de r e a c t o r a u t o t h e r m t e b e d r i j v e n , w a a r b i j de v o o r d e , d e h y d r o g e n e r i n g b e n o d i g d e r e a c t i e w a r m t e g e l e v e r d w o r d t d o o r de exotherme o x i d a t i e r e a c t i e . B i j d i t v e r s l a g i s u i t g e g a a n v a n een p u b l i c a t i e v a n B a c c a r e d d a en P e d r a z z i n i ( l i t . 5 ) . Z i j v o e r d e n de o x i d a t i e v e d e h y d r o -g e n e r i n -g u i t en -g a v e n de r e s u l t a t e n v a n hun o n d e r z o e k i n de vorm v a n p r o d u c t s a m e n s t e l l i n g e n b i j d i v e r s e O^CgH^OH v e r -h o u d i n g e n . Aan de hand v a n d e z e g e g e v e n s i s de p r o d u c t s a m e n s t e l l i n g n a de r e a c t o r g e k o z e n . De s c h e i d i n g t u s s e n a c e e t a l d e h y d e en de b i j p r o d u c t e n ge-s c h i e d t met d i e p k o e l e n en d e ge-s t i l l a t i e . Of een d e r g e l i j k p r o c e s c o m m e r c i e e l i n t e r e s s a n t i s h a n g t a f v a n de p r i j z e n v a n e t h a n o l en a c e e t a l d e h y d e . I n W.Europa l i j k t d i t p r o c e s n i e t a a n t r e k k e l i j k omdat e t h a n o l f l 1.07 k o s t en a c e e t a l d e h y d e f l 1.10 o p b r e n g t . I n l a n d e n met een l a g e e t h a n o l p r i j s b i e d t h e t p r o c e s w e l m o g e l i j k h e d e n .
Een s c h a t t i n g v a n de i n v e s t e r i n g e n i s gemaakt met de methode van Z e v n i k - B u c h a n a n .
2 . Inleiding» A c e e t a l d e h y d e i s e e n b e l a n g r i j k t u s s e n p r o d u k t i n de c h e m i s c h e i n d u s t r i e . Een g r o o t d e e l v a n do w e r e l d p r o d u k t i e w o r d t g e b r u i k t v o o r de f a b r i k a g e v a n a z i j n z u u r . D a a r n a a s t w o r d t v a n a c e e t a l d e h y d e9 v i a a l d o l r e a k t i e s , e e n g r o o t a a n t a l p r o d u k t e n g e m a a k t ; b v . n - b u t a n o l en 2 - e t h y l h e x a n o l d i e a l s o p l o s m i d d e l w o r d e n g e b r u i k t en p e n t a e r y t h r i t o l w a t t o e p a s s i n g v i n d t i n de a l k y d h a r s e n i n d u s t r i e . I n d u s t r i e e l k a n de b e r e i d i n g v a n a c e e t a l d e h y d e op v e r -s c h i l l e n d e m a n i e r e n p l a a t -s v i n d e n . ( a i t . - i , 2 ) I n g e d e e l d n a a r g r o n d s t o f f e n : A c e t y l e e n : C2H2 + H2 ° C2H4 ° a H = ~3^ »0 K c a l / m o l D i t i s h e t o u d s t e p r o c e s . H e t i s w e i n i g a a n t r e k k e l i j k wegens h e t g e b r u i k v a n k w i k en a c e t y l e e n en w o r d t d a n ook n a u w e l i j k s meer t o e g e p a s t . E t h e e n : C2H4 + l- 02 T$~c& C2H4 ° a H = ~58,2 K c a l / m o l D i t p r o c e s w e r d i n 1959 ^ i j Wacker-Chemie en H o e c h s t o n t w i k k e l d . Door de g r o t e s e l e k t i v i t e i t v a n de r e a k t i e en h e t g e b r u i k v a n e t h e e n a l s goedkope g r o n d s t o f i s h e t s i n d s d i e n h e t f a v o r i e t e p r o c e s v o o r de b e r e i d i n g v a n a c e e t a l d e h y d e . E t h a n o l : 1• D e h y d r o g e n e r e n . C2H"5OH C2H4 ° + H2 a H = 1 9 , 7 K c a l / m o 1
De r e a k t i e v i n d t p l a a t s b i j 1 atm. en 300°C met een c o n v e r s i e v a n 2 5-50 %. Een bezwaar i s de g r o t e warmte-t o e v o e r d i e b i j d i warmte-t p r o c e s n o o d z a k e l i j k i s .
2. O x i d e r e n met z u u r s t o f o f l u c h t . CoHj-OH + £ 0 * CgH^O + H20 A H = - 5 7 , 0 K c a l / m o l De r e a k t i e v e r l o o p t b i j 1 3 atm. en 500 °C o v e r z i l v e r -n e t t e -n . De c o -n v e r s i e i s 5 0 - 7 0 % . Doordat de r e a k t i e s t e r k e x o t h e r m i s , i s de b e h e e r s i n g v a n h e t p r o c e s m o e i l i j k . T e v e n s o n t s t a a n e r v e e l b i j p r o d u k t e n . 3. G e c o m b i n e e r d e o x i d a t i e en d e h y d r o g e n e r i n g . H i e r b i j w o r d t d o o r o x i d a t i e v a n w a t e r s t o f de r e a k t i e -warrate v o o r de d e h y d r o g e n e r i n g g e l e v e r d , z o d a t h e t p r o c e s a u t o t h e r m w o r d t . De twee e e r s t g e n o e m d e p r o c e s s e n w e r d e n v o o r de opkomst v a n h e t V / a c k e r p r o c e s v e e l t o e g e p a s t , v o o r a l op p l a a t s e n w a a r e t h a n o l goedkoop w a s . Het d e r d e p r o c e s w o r d t v o o r z o v e r b e k e n d , i n d u s t r i e e l n i e t t o e g e p a s t , o n d a n k s d a t h e t de b i j de a n d e r e p r o c e s s e n g e -noemde n a d e l e n n i e t h e e f t . Op b a s i s v a n d i t l a a t s t e p r o c e s i s g e t r a c h t een v o o r -o n t w e r p v a n e e n a c e e t a l d e h y d e f a b r i e k t e maken.
3 . 1 » U i t g a n g s p u n t e n v o o r h e t ontwerp.» G r o n d s t o f f e n en p r o d u k t e n . B i j de b e r e k e n i n g v a n h e t o n t w e r p i s u i t g e g a a n v a n een p r o d u k t i e c a p a c i t e i t v a n 40000 t o n a c e e t a l d e h y d e p e r j a a r tye met een z u i v e r h e i d > 33%. A l s b i j p r o d u k t e n o n t s t a a n . e r p e r j a a r 3000 t o n w a t e r s t o f met een z u i v e r h e i d v a n 35% en 1400 t o n a z i j n z u u r van 80%. De w a t e r s t o f b e v a t a l s v e r o n t r e i n i g i n g e n CO, 0 0 ^ en C^Hg» H e t i s b r u i k b a a r v o o r h y d r o g e n e r i n g s d o e l e i n d e n . De v o e d i n g v a n h e t p r o c e s b e s t a a t u i t e t h a n o l v a n 36% ( d e b i n a i r e e t h a n o l - w a t e r a z e o t r o o p ) en z u u r s t o f . P e r j a a r i s 44600 t o n a l k o h o l en 4300 t o n z u u r s t o f n o d i g . U t i l i t i e s . De v o o r de p r o c e s v o e r i n g b e n o d i g d e U t i l i t i e s z i j n p e r j a a r : 86000 t o n m i d d e n d r u k s t o o m , w a a r v a n 46OOO t o n o v e r -v e r h i t t o t 500°C,32300 t o n l a g e d r u k stoom en 2 , 5 m i l j o e n t o n k o e l w a t e r . D o o r h e t l a g e c o n d e n s a t i e p u n t v a n a c e e t a l d e h y d e (20.8°C) i s v o o r h e t k o e l e n h i e r v a n een h u l p m e d i u m n o d i g . Gekozen i s v o o r f r e o n 2 . 2 , waarvan i n v l o e i b a r e t o e s t a n d 9,8 k g p e r s e c . n o d i g i s . De a f t e v o e r e n warmte wordt v i a h e t f r e o n w e e r op k o e l w a t e r o v e r g e d r a g e n . De t o t a l e h o e -v e e l h e i d f r e o n i s dus e e n éénmalige i n -v e s t e r i n g en -v a l t i n f e i t e n i e t o n d e r de u t i l i t i e s . V e i l i g h e i d . B i j z o n d e r e a a n d a c h t moet b e s t e e d w o r d e n aan de v e i l i g -h e i d , d a a r w a a r e t -h a n o l met z u u r s t o f gemengd en v e r -h i t w o r d t • I n de l i t e r a t u u r z i j n g e e n d i r e k t e g e g e v e n s b e k e n d o v e r e x p l o s i e g r e n z e n v a n e t h a n o l i n z u u r s t o f a l s f u n k t i e v a n de t e m p e r a t u u r .
Met de * B u r g ess-Whe e l e r l a v /1 ( l i t 3 » 4 ) i s de b o v e n s t e (ty'l'
e x p l o s i e g r e n s v a n e t h a n o l i n l u c h t b e r e k e n d op 39% b i j ^
4 0 0 ° 0 .
B i j d i t p r o c e s w o r d t e c h t e r n i e t met l u c h t maar met z u u r -s t o f g e w e r k t , w a a r d o o r de e x p l o -s i e g r e n -s n o g a a n m e r k e l i j k h o g e r z a l komen t e l i g g e n .
H e t m e n g s e l w a a r mee g e w e r k t w o r d t b e v a t n a a s t 8 1 % e t h a n o l en 9% z u u r s t o f ook nog 10% w a t e r . D i t w a t e r h e e f t weer een s t e r k d a l e n d e f f e k t op de e x p l o s i e g r e n s . Een en a n d e r h e e f t t o t g e v o l g d a t een e x a k t e w a a r d e v o o r deze g r e n s m o e i l i j k t e g e v e n i s . H e t i s e c h t e r n i e t w a a r s c h i j n l i j k d a t deze w a a r d e b o v e n de 8 1 % z a l l i g g e n , h e t g e e n ook b e v e s t i g d w o r d t i n l i t . 5 . H i e r v a n u i t g a a n d e i s b i j h e t o n t w e r p g e e n i n e r t gas aan h e t e t h a n o l - z u u r s t o f m e n g s e l t o e g e v o e g d . Wel w o r d t v o o r h e t v e r h i t t e n v a n h e t m e n g s e l t o t de r e a k t i e t e m p e r a t u u r v a n 400°C,om redenen van v e i l i g h e i d , e e n warmte overdragend medium g e b r u i k t en w o r d t dus g e e n d i r e k t e v e r h i t t i n g i n
een f o r n u i s t o e g e p a s t .
Ook a c e e t a l d e h y d e k a n met l u c h t e x p l o s i e v e m e n g s e l s v o r m e n . E x p l o s i e g e b i e d b i j 20°C: 4-/l4%. \V{
3 . 2 . U i t g a n g s p u n t e n v o o r de r e a k t o r . H o e w e l h e t p r o c e s v a n g e c o m b i n e e r d e o x i d a t i e en d e h y d r o -g e n e r i n -g i n de l i t e r a t u u r op v e r s c h i l l e n d e p l a a t s e n ( l i t. 1 , 6 , 7 ) genoemd w o r d t a l s i n t e r e s s a n t e m o g e l i j k h e i d , z i j n e r o v e r d i t t y p e r e a k t i e g e e n k i n e t i e k g e g e v e n s b e k e n d . D o o r P e d r a z i n n i e a . ( l i t. 5 ) z i j n een a a n t a l i n l e i d e n d e m e t i n g e n g e d a a n . H i e r u i t k a n g e c o n c l u d e e r d w o r d e n d a t d i t p r o c e s v a n o x i -d a t i e v e -d e h y -d r o g e n e r i n g z e e r a a n t r e k k e l i j k i s ; h e t h e e f t n l . de v o l g e n d e v o o r d e l e n b o v e n de twee a n d e r e p r o c e s s e n d i e v a n e t h a n o l u i t g a a n : - E r h o e f t g e e n warmte t o e - o f a f g e v o e r d t e w o r d e n . - E r i s een h o g e r e c o n v e r s i e h a a l b a a r dan b i j b e i d e a n d e r e p r o c e s s e n . Door de k l e i n e r e h o e v e e l h e i d z u u r s t o f i s h e t e x p l o s i e g e -v a a r k l e i n e r dan b i j h e t o x i d a t i e -v e p r o c e s . V o o r h e t o n t w e r p z i j n , o p g r o n d v a n bovengenoemde m e t i n g e n , e e n a a n t a l aannamen g e d a a n b e t r e f f e n d e t e m p e r a t u u r , r e a k t i e -v e r l o o p en o m z e t t i n g s g r a a d . De r e a k t i e t e m p e r a t u u r moet l i g g e n t u s s e n 350 en 400°C, i n v e r b a n d met de e v e n w i c h t s l i g g i n g v a n de d e h y d r o g e n e r i n g . G e k o z e n i s e e n t e m p e r a t u u r v a n 400°C. B i j deze t e m p e r a t u u r b l i j k t i n h e t p r o d u k t g a s g e e n z u u r s t o f meer a a n w e z i g t e z i j n . Aangenomen w e r d d a t de v o l g e n d e r e a k t i e s v e r l o p e n : R e a k t i e C o n v e r s i e H ^ K c a l / m o l 2 . 1. 18% - 2 2 , 8 6 - 1 0 , 5 6 1 7 , 3 7 ( l i t .11. 3 . C2H40 + £ 02 t 2 CO + 2 H2 1%
4 . 5 . 6 . 7 . - 6 4 . 0 1 - 1 4 6 . 1 0 - 5 8 . 6 5 HAc = a z i j n z u u r . EA = e t h y l a c e t a a t . Van r e a k t i e 7» de z g n . T i s c h e n k o r e a k t i e , i s bekend d a t h e t een e v e n w i c h t s r e a k t i e i s . I n d i e n e t h y l a c e t a a t g e r e -c i r -c u l e e r d w o r d t z a l d e z e r e a k t i e dus n i e t meer v e r l o p e n a l s de e v e n w i c h t s c o n v e r s i e b e r e i k t i s . De e v e n w i c h t s c o n c e n t r a t i e i s b e p a a l d op: ( l i t . 8 ) Ook v a n de k a t a l y s a t o r d i e h e t b e s t e g e b r u i k t k a n w o r d e n i s w e i n i g b e k e n d , P e d r a z i n n i g e b r u i k t e b i j z i j n e x p e r i -m e n t e n g e r e d u c e e r d k o p e r o x i d e ' i n d r a a d v o r -m1. Op t e c h n i s c h e s c h a a l l i j k t d i t een w e i n i g a a n t r e k k e l i j k e k a t a l y s a t o r . ( d u u r , z e e r g r o o t g e w i c h t ) E r k a n h i e r v o o r b e t e r g e d a c h t w o r d e n a a n een k a t a l y s a t o r z o a l s g e b r u i k t w o r d t b i j h e t d e h y d r o g e n e r e n d e p r o c e s , n l . een k o p e r k a t a l y s a t o r op a s b e s t d r a g e r , o f , a n a l o o g a a n h e t o x i d a t i e v e p r o c e s w a a r b i j z i l v e r n e t t e n g e b r u i k t w o r d e n , a a n n e t t e n v a n k o p e r g a a s . EA = 0 . 0 3 6 3 x E t h a n o l
4« B e s c h r i j v i n g v a n h e t proces» H e t p r o c e s i s w e e r g e g e v e n i n een f l o w s h e e t . ( b i j l a g e 1) I n de f l o w s h e e t z i j n geen pompen o f c o m p r e s s o r e n g e t e -k e n d . U i t e r a a r d s u l l e n d e z e w e l a a n w e z i g moeten z i j n . De a p p a r a a t a a n d u i d i n g i s ook i n d e z e p r o c e s b e s c h r i j v i n g g e b r u i k t • 1, Mengen en v e r h i t t e n v s j i de v o e d i n g . I n H5 w o r d t de v o e d i n g , h o o f d z a k e l i j k b e s t a a n d e u i t e t h a n o l i v e r d a m p t met m i d d e n d r u k s t o o m . I n d e z e l f d e w a r m t e w i s s e l a a r , w o r d t de damp n o g v e r d e r v e r h i t t o t 135ÖC om twee r e d e n e n .
De damp mag n i e t g a a n c o n d e n s e r e n b i j h e t mengen met z u u r -s t o f v a n 20°C.
i - B i j een t e m p e r a t u u r l a g e r dan 130°C wordt H3,waarin de damp v e r d e r v e r h i t w o r d t , d e r m a t e i n g e w i k k e l d d a t de p r a k t i s c h e ' u i t v o e r i n g v a n d e z e w a r m t e w i s s e l a a r p r o b l e m e n g a a t o p l e v e -r e n . Ha h e t v e r l a t e n v a n H5 w o r d t de damp i n M4 met z u u r s t o f g e m e n g d . T i j d e n s d e z e m e n g i n g v a n a l k o h o l d a m p en z u u r s t o f z u l -l e n e x p -l o s i e v e v e r h o u d i n g e n v o o r k o m e n . H o e w e -l twee g a s s e n z i c h i n h e t a l g e m e e n z e e r g e m a k k e l i j k met e l k a a r mengen, i s om z o s n e l m o g e l i j k d o o r d i t e x p l o s i e g e b i e d h e e n t e z i j n t o c h g e k o z e n v o o r een gasmenger. G e d a c h t i s a a n een ' B a f f l e -p l a t e m i x e r ' ( l i t . 9). H e t g a s s t r o o m t d a a r b i j d o o r k l e i n e g a t e n i n d w a r s s c h o t t e n . De t u r b u l e n t i e s d i e d a a r b i j o n t -s t a a n b e v o r d e r e n de m e n g i n g . Een b e z w a a r v a n d e z e menger i s d a t de l e i d i n g w e e r s t a n d v e r g r o o t w o r d t . p I n H3 w o r d t h e t e t h a n o l z u u r s t o f m e n g s e l op r e a k t i e t e m p e r a -\ t u u r v a n 400°C g e b r a c h t met o v e r h i t t e s t o o m v a n 500°C a l s I warmte o v e r d r a g e n d medium.
4»2e A f k o e l e n en c o n d e n s e r e n Na h e t v e r l a t e n v a n de r e a k t o r w o r d t de p r o d u k t s t r o o m i n H1 g e k o e l d v a n 400-92 t o t 150°Ö. H i e r b i j w o r d t l a g e d r u k s t o o m o p g e w e k t . H o e w e l h e t v o o r de h a n d l i g t om met de p r o d u k t s t r o o m de v o e d i n g op t e warmen <^?"" i s d i t n i e t g e d a a n omdat: fS1^ -V/eer een z e e r g r o t e w a r m t e w i s s e l a a r n o d i g z o u z i j n . -De v o e d i n g s s t r o o m 400°C n i e t b e r e i k t , z o d a t t o c h weer e x t r a v o o r z i e n i n g e n v o o r t e m p e r a t u u r v e r h o g i n g n o d i g z o u d e n z i j n . - L a g e d r u k s t o o m z e e r g o e d b r u i k b a a r i s i n de k o o k k e t e l s v a n de d e s t i l a t i e k o l o m m e n . I n H6 wordt de p r o d u k t s t r o o m van 150 G a f g e k o e l d t o t 30 C ^ m e t k o e l w a t e r . H i e r b i j t r e e d t g e d e e l t e l i j k e c o n d e n s a t i e op v a n z w a a r d e r e c o m p o n e n t e n . I n H9 w o r d t met f r e o n de g a s s t r o o m u i t H6 g e k o e l d t o t 0°C, w a a r b i j n a a s t c a . de h e l f t v a n h e t a c e e t a l d e h y d e n a g e n o e g a l l e z w a r e c o m p o n e n t e n c o n d e n s e r e n . De n o g o v e r b l i j v e n d e g a s s t r o o m w o r d t i n 1117 g e k o e l d t o t 3 0 ° C . H i e r b i j c o n d e n s e e r t a c e e t a l d e h y d e met een z u i v e r
-h e i d > 99%, wat dus n i e t v e r d e r opgewerkt b e -h o e f t t e worden. 4.3. A b s o r p t i e De g a s s t r o o m u i t H17 d i e n u nog c a . 1 0 % a c e e t a l d e h y d e b e -v a t w o r d t d o o r a b s o r b e r T23 g e l e i d o De w a s -v l o e i s t o f d i e i n d e z e a b s o r b e r g e b r u i k t w o r d t i s e t h a n o l , n l . de v o e d i n g . Deze komt h i e r h e t p r o c e s b i n n e n . H e t v o o r d e e l v a n h e t g e b r u i k van.de v o e d i n g h i e r v o o r , b o v e n h e t g e b r u i k v a n een g e s l o t e n s y s t e e m met e i g e n w a s v l o e i s t o f i s d a t de e t h a n o l d i e b i j de s c h e i d i n g d o o r d e s t i l l a t i e i n T20 op kooktempératuur v r i j k o m t , n u n i e t g e k o e l d b e h o e f t t e w o r d e n .
B i j de a b s o r p t i e v a n a c e e t a l d e h y d e komt een a a n z i e n l i j k e h o e v e e l h e i d warmte v r i j . E r mag dan ook, b i j de g e g e v e n f h o e v e e l h e i d a b s o r p t i e m i d d e l m a x i m a a l maar 1 0 % v a n de t o -t a l e h o e v e e l h e i d a c e e -t a l d e h y d e i n de a b s o r p -t i e k o l o m komen, V w i l de t e m p e r a t u u r op een a a n v a a r d b a a r n i v e a u b l i j v e n . 1 Om d e z e 10% t e h a l e n werd i n H17 t o t -30°C g e k o e l d . \Wordt h e t p e r c e n t a g e a c e e t a l d e h y d e d a t c o n d e n s e e r d b e r e -i k e n d a l s f u n k t -i e v a n d r u k en t e m p e r a t u u r ( b -i j l a g e 2 ) , dan v a l t op d a t b i j b e t r e k k e l i j k g e r i n g e d r u k v e r h o g i n g ( 3 - 5 atm.) a a n m e r k e l i j k m i n d e r d i e p g e k o e l d b e h o e f t t e w o r d e n om 9 0 % c o n d e n s a t i e t e b e r e i k e n .
Het l i j k t dan ook a a n t r e k k e l i j k om h e t g e h e l e p r o c e s b i j v e r h o o g d e d r u k t e b e d r i j v e n . H a a s t h e t v o o r d e e l v a n s n e l -l e r e c o n d e n s a t i e v a n a c e e t a -l d e h y d e k a n ook a -l -l e a p p a r a t u u r k l e i n e r w o r d e n . Omdat e c h t e r n i e t b e k e n d i s wat d r u k v e r h o g i n g v o o r g e v o l g e n / h e e f t v o o r h e t r e a k t i e - m e c h a n i s m e i s de d r u k a t m o s f e r i s c h gehouden.( De e v e n w i c h t s l i g g i n g v a n de meeste v a n de o n d e r ^ 3 . 2 . genoemde r e a k t i e s z a l i n o n g u n s t i g e r i c h t i n g v e r s c h u i -v e n .) ! Een m o g e l i j k h e i d t o t o p t i m a l i s a t i e v a n h e t g e h e l e s y s t e e m i s h i e r e c h t e r z e k e r a a n w e z i g . 4. O p w e r k i n g v a n p r o d u k t e n . I n T14 w o r d t de v l o e i s t o f s t r o o m u i t H9 g e s c h e i d e n i n a c e e t -a l d e h y d e en z w -a r e c o m p o n e n t e n . H e t k e t e l p r o d u k t v -a n d e z e k o l o m w o r d t samen met h e t c o n d e n s a a t u i t Il6 g e d e s t i l l e e r d i n T10. I n T10 w o r d e n de o v e r m a a t w a t e r en a z i j n z u u r u i t h e t s y s t e e m g e h a a l d , en e t h y l a c e t a a t g e r e c i r c u l e e r d . Het t o p p r o d u k t b e s t a a t u i t de b i n a i r e e t h a n o l - w a t e r a z e o t r o o p en de t e r n a i r e e t h y l a c e t a a t - e t h a n o l - w a t e r a z e o t r o o p . ( l i t . 20) B e i d e a z e o t r o p e n g a a n t e r u g n a a r de v o e d i n g s s t r o o m . H e t k e t e l p r o d u k t v a n T10 w o r d t i n T24 g e s c h e i d e n i n w a t e r en t e c h n i s c h a z i j n z u u r v a n 8 0 % .
B e r e k e n i n g v a n de apparatuur» R e a k t o r R2. Met een j a a r p r o d u k t i e v a n 40000 t o n en 8000 b e d r i j f s u r e n moet e r 31*6 m o l / s e c a c e e t a l d e h y d e g e p r o d u c e e r d w o r d e n . Aangenomen w o r d t d a t de o n d e r 3*2. genoemde r e a k t i e s v e r -l o p e n met de d a a r genoemde c o n v e r s i e s . De t o t a l e c o n v e r s i e v a n e t h a n o l n a a r a c e e t a l d e h y d e i s dan 73% z o d a t 4 1 . 9 mol/sec e t h a n o l de r e a k t o r b i n n e n moet k o -men om de g e s t e l d e p r o d u k t i e t e h a l e n . Met de c o n v e r s i e s en de r e a k t i e w a r m t e n ( l i t . 11 ) w e r d de hoe-v e e l h e i d z u u r s t o f , d i e n o d i g i s om de r e a k t o r a u t o t h e r m t e b e d r i j v e n , b e p a a l d op 0. 0 9 4 mol z u u r s t o f p e r mol omgezette e t h a n o l .
Samen met de z u u r s t o f d i e d o o r r e a k t i e s 3, 4 en 5 v e r b r u i k t • V w o r d t i s 4 . 7 mol/sec z u u r s t o f n o d i g . De z u u r s t o f / e t h a n o l v e r h o u d i n g i s dan 10 v o l . % , h e t g e e n goed met de i n l i t . 5 g e b r u i k t e v e r h o u d i n g e n o v e r e e n s t e m t . B i j de b e r e k e n i n g i s g e e n r e k e n i n g gehouden met w a r m t e -v e r l i e z e n n a a r de o m g e -v i n g . De r e a k t o r z a l g o e d geïsoleerd m o e t e n w o r d e n om de t e m p e r a t u u r op 400°C t e houden. H i e r -v o o r k a n h e t b e s t een i s o l e r e n d k e r a m i s c h m a t e r i a a l g e b r u i k t w o r d e n , b v . C h a m o t t e - o f S i l i c a s t e e n . ( l i t. . 1 ) E e n r e a k t o r v o l u m e i s met de t e r b e s c h i k k i n g s t a a n d e g e g e v e n s m o e i l i j k t e b e r e k e n e n . Wordt d i t g e d a a n d o o r e x t r a p o l a t i e v a n de e x p e r i m e n t e l e r e a k t o r u i t l i t . 5, dan w o r d t h e t v o -3 lume 23 m .
2. W a r m t e w i s s e l a a r H3. I n H3 w o r d t h e t e t h a n o l - z u u r s t o f m e n g s e l u i t menger M4 v e r h i t v a n 131°C t o t 400°C. A l s verwarmingsmedium i s o v e r v e r h i t t e m i d d e n d r u k s t o o m v a n 10 atm. g e b r u i k t , dat de w a r m t e w i s s e l a a r met 500°C i n g a a t en met 185°C g a s -v o r m i g -v e r l a a t . De c o n d e n s a t i e t e m p e r a t u u r v a n m i d d e n d r u k s t o o m , en ook d i e v a n l a g e d r u k s t o o m , l i g t t e l a a g om v a n de c o n d e n s a -t i e w a r m -t e g e b r u i k -t e k u n n e n maken. C Omdat de b e r e k e n i n g v a n de w a r m t e w i s s e l a a r d o o r de g r o t e m a s s a - en w a r m t e s t r o m e n v r i j c o m p l e x w o r d t , i s h i e r v o o r • een c o m p u t e r p r o g r a m m a g e m a a k t , ( b i j l a g e 3) B i j de b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n v a n v a s t e p i t c h , c l e a r a n c e , p i j p en s h e l l d i a m e t e r , v a n t e m p e r a t u u r g e m i d d e l d e s t o f -e i g -e n s c h a p p -e n ( l i t . 1 0 ) -en v a n g -e g -e v -e n m a s s a s t r o m -e n . De i n - en u i t g a n g s t e m p e r a t u r e n v a n r e a k t a n t e n en stoom b e p a l e n de c o r r e c t i e f a k t o r v o o r h e t l o g a r i t m i s c h g e m i d -d e l -d e t e m p e r a t u u r v e r s c h i l op P= 0.8 en b e p a l e n h e t t y p e 0 w a r m t e w i s s e l a a r op een 36 t y p e . Dwz. 3 s h e l l en 6 t u b e -p a s s e s . ( l i t . 1 2 , 1 5 )
. I n h e t programma w o r d t met een g e s c h a t t e o v e r a l l w a r m t e overdrachtscoëfficient U h e t b e n o d i g d w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r -v l a k b e r e k e n d , waarmee h e t a a n t a l p i j p e n en dus ook de s t r o m i n g s c o n d i t i e s v a s t ' l i g g e n . Met d e z e s t r o m i n g s c o n d i t i e s k a n w e e r een w a a r d e v o o r U b e r e k e n d w o r d e n z o d a t i t e r a t i e f de w e r k e l i j k e waarde v o o r ü b e p a a l d k a n w o r d e n . Deze r e k e n w i j z e l e v e r t de v o l g e n d e d i m e n s i e s v o o r de w a r m t e w i s s e l a a r : a a n t a l b u i z e n b u i s l e n g t e b u i s d i a m e t e r w a n d d i k t e s h e l l d i a m e t e r 220 1 8 > 1.25 i n c h ( u i t w . ) 2.5 mm 0.8 m De b e n o d i g d e h o e v e e l h e i d s t o o m i s 1.95 k g / s . V e r d e r e g e g e v e n s t a a n v e r m e l d i n b i j l a g e 3.
De d r u k v a l o v e r d a r e a c t o r a a n de g a s k a n t i s b e r e k e n d om t e contföleren o f dez4. n i e t t e g r o o t i s .
Het g a s s t r o o m t l a n g s de b u i z e n en l o o d r e c h t op de b u i z e n . Het a a n t a l k e r e n d a t de g a s s t r o o m de b u i z e n k r u i s t b e d r a a g t n=L/B+1=13 k e e r . D e f r i c t i e f a c t o r i s aan de hand v a n h e t Rey-n o l d s g e t a l met l i De d r u k v a l w o r d t : n o l d s g e t a l met l i t . 1 5 b e p a a l d : f = 0 . 0 0 2 f t 2/ i n .2 f . i v2. D s . ( n ) s h e l l s i d e P = v o o r t y p e 1-2 de de=.0226 m Ds =.8m =4kg/m3 .002.144.4.4.0.8.13 2 v - 4 . W . *-Re2=25403 =0.0265kg/em2 =0.0265 atm. In w e r k e l i j k h e i d i s de w a r m t e w i s s e l a a r een 3-6 t y p e .Daar i s b i j b o v e n s t a a n d e b e r e k e n i n g n o g g e e n r e k e n i n g mee gehouden A l s we aannemen d a t de d r u k v a l i n d a t g e v a l met 3 v e r m e n i g v u l -d i g -d moet wor-den -d a t i s -de -d r u k v a l nog s t e e -d s m i n -d e r -dan 1/10 b a r .
C o n c l u s i e :
. W a r m t e w i s s e l a a r H1• I n H.1 wordt de p r o d u k t s t r o o m van de r e a k t o r a f g e k o e l d o n d e r o p w e k k i n g v a n l a g e d r u k s t o o m u i t k e t e l v o e d i n g w a -t e r . L a g e d r u k s -t o o m h e e f -t e e n -t e m p e r a -t u u r v a n 145°C b i j een d r u k v a n 3 b a r . Opwekken v a n m i d d e n d r u k s t o o m i s h i e r n i e t goed m o g e l i j k omdat d a a r b i j s l e c h t s g e k o e l d k a n w o r -den t o t 220° C. B e r e k e n i n g v a n de w a r m t e w i s s e l a a r : P r o d u k t s t r o o m : Ti n= 400°C Tuit= 150.-°C W a t e r / s t o o m : Tj _n= T u i t ~ 14 5 ° C A Tl n= 64 °C 0, = 1236 KW U ( g e s c h a t ) = 5 0 0 W/m .°C
Met 0^= U.A.AT^n v o l g t h i e r u i t v o o r h e t warmt ev/iss e l e n d
-o p p e r v l a k : A= 39 m2.
A a n t a l b u i z e n : 163 ( d i a m e t e r 1 i n c h , l e n g t e 3 m)
De v e r d a m p i n g s w a r m t e v a n w a t e r b i j 145°C b e d r a a g t 2050 J / g . H1 l e v e r t dus aan stoom: 0 . 5 8 k g / s .
5»4» W a r m t e w i s s e l a a r H5 I n H5 w o r d t de v l o e i b a r e v o e d i n g , b e s t a a n d e u i t e t h a n o l , w a t e r en e t h y l a c e t a a t op k o o k t e m p e r a t u u r , v e r d a m p t en v e r -h i t t o t 1 3 5 ° C A l s v e r h i t t i n g s m e d i u m w o r d t m i d d e n d r u k s t o o m g e b r u i k t , d a t de w a r m t e w i s s e l a a r met e e n t e m p e r a t u u r v a n 2 2 0° C b i n n e n -komt en b i j 185°C c o n d e n s e e r t . De t o e t e v o e r e n w a r m t e s t r o o m b e s t a a t u i t een h o e v e e l h e i d v e r d a m p i n g s w a r m t e en een h o e v e e l h e i d warmte n o d i g v o o r de v e r h i t t i n g : ^ Of - jgf JL. af /*» v- . , k>' ^w ^ v e r d . ^ v e r h i t . • i V e r d a m p g e d e e l t e : Met l i t . 10 i s #,rciW, b e r e k e n d op 1754 KW. veru. • T o t a l e warmteoverdrachtscoëfficient U g e s c h a t op 3 0 0 W/m2.°C A T = J 0 7 ° C . i v T ' ' U i t d e z e g e g e v e n v o l g t v o o r h e t w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r v l a k : A= 5 3 . 7 m2. V e r h i t t i n g s g e d e e l t e : - ^ v e r h i t . i s b e r e k e n d °P 2 ? 2 K'7 -T o t a l e warmteoverdrachtscoëfficient U g e s c h a t op 1 0 0 W/m2.°C Het w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r v l a k v o o r d i t g e d e e l t e w o r d t d a n : A= 2 6 . 8 m2. p Het t o t a a l b e n o d i g d o p p e r v l a k b e d r a a g t n u : = 8 0 . 5 m • D i t komt o v e r e e n met 171 b u i z e n v a n 6 m l e n g t e en een
d i a m e t e r v a n 1 i n c h . De v e r d a m p i n g s w a r m t e v a n w a t e r b i j 1 8 5 ° C b e d r a a g t 1990 J / g . De g e m i d d e l d e C v a n stoom t u s s e n 1 8 5 en 2 2 0 ° C b e d r a a g t 2 . 1 4 J/g°C Met X = ( A T . Cn + H___ , ) ,/f i s de b e n o d i g d e h o e v e e l -w p v e r a . 'm s to o ra h e i d stoom b e r e k e n d op 1.04 k g / s . O O
C o n d e n s o r H6 I n H6 w o r d t de p r o d u k t s t r o o m v a n 1 50°C u i t H1 , met w a t e r v e r d e r a f g e k o e l d t o t 30°C. De zware componenten u i t de p r o d u k t s t r o o m z u l l e n b i j d e z e k o e l i n g g e d e e l t e l i j k c o n -d e n s e r e n . B i j -de b e r e k e n i n g v a n -de s a m e n s t e l l i n g v a n -de g a s - en v l o e i s t o f s t r o m e n , 11 en 14, i s aan genomen d a t a c e e t a l d e h y d e ( A c h ) , w a t e r s t o f (Hg)» en CO, COg? CpHg, samen a a n g e d u i d a l s ' r e s t ' , n i e t z u l l e n c o n d e n s e r e n . V o o r d e z e componenten g e l d t : ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) pA c h yA c h lof ,'( hts-pr e s t ~yr e s t,P De a n d e r e componenten z u l l e n z o w e l i n de v l o e i s t o f s t r o o m a l s i n de g a s s t r o o m v o o r k o m e n . D i t z i j n : w a t e r ( H g O ) , e t h a n o l ( E t O H ) , e t h y l a c e t a a t ( E A ) , en a z i j n z u u r ( H a c ) . V o o r d e z e componenten g e l d t : ( 5 ) ( 7 ) ( 9 ) ( 1 1 ) PH20= yH2 0 , P ( 4 ) en pE t O H= yE t O H 'P ( 6 ) en PE A= yE A *P ( 8 ) en pH a c= yH a c, P ( 1 0 ) en H i e r i n i s : P = t o t a a l d r u k O PHp0 ~ XH?0 *PH?0 o PE t O K " XE t O H *PE t O H PE A ~ XE A *PE A o pH a c ~ xH a c *pH a c x^= m o l f r a k t i e v a n s t o f i i n de v l o e i s t o f s t r o o m y^= m o l f r a k t i e v a n s t o f i i n de g a s s t r o o m p.= d a m p s p a n n i n g v a n s t o f i i n de g a s s t r o o m ( b i j 30°C) p^= d a m p s p a n n i n g v a n z u i v e r e s t o f i b i j 30°C De v/aarden v o o r p ? b i j 30°C z i j n b e r e k e n d met l i t . 1 3 . comp. p ? i n mm Hg H20 33.5 EtOH 7 7 . 1 EA 1 1 1 . 1 Hac 1 4 . 9
O Van i e d e r e component i s de m o l e n s t r o o m d o o r H6 b e k e n d . Met de b e k e n d e w a a r d e n v o o r p ? en h e t g e g e v e n d a t de t o t a a l d r u k P= 760 mm Hg, r e s u l t e e r t d i t i n de v o l g e n d e 1 3 v e r g e l i j k i n g e n met 1 3 onbekenden. y . G = 25.03 H2 7 A O H • G = 3 1 . 5 9 , ^ r e s t ' G =1 « 8 2 yE t 0 H * G + XE t O H * L = 8 , 3 9 % 2 0 * G + XH20 0 L " 1 4 - 3 8 ^EA • G + x E A . L = 1.51 ^Hac ' G + xH a c • L = ° °6 5 XE t O H = yE t O H • P /'PE t O H XH20 = yH20 # - ^ H g O XE A = yE A * P / pE A xH a c = yH a c ° P /'pH a c * x i = 1 <y± = 1 I n d e z e v e r g e l i j k i n g e n i s G de g a s s t r o o m i n m o l / s e c e n L de v l o e i s t o f s t r o o m i n m o l / s e c . Met ' t r i a l and e r r o r * w e r d e n d e z e v e r g e l i j k i n g e n o p g e l o s t .
De u i t e i n d e l i j k e r e s u l t a t e n v a n de b e r e k e n i n g v a n de v l o e i s t o f - en g a s s t r o m e n z i j n i n de v o l g e n d e t a b e l w e e r g e g e v e n . S a m e n s t e l l i n g v a n de p r o d u k t s t r o m e n u i t H6: comp c G m o l / s e c 1 m o l / s A c h 3 1 . 5 9 — H2 2 5 . 0 3 — r e s t 1.82 — H20 1.68 1 2 . 7 0 E t OH 1 . 9 7 6 . 4 2 EA O.46 1.05 Hac
_
0.65 t o t a a l 6 2. 5 5 20.82 I U i t de b e r e k e n i n g b l e e k d a t z i c h i n de g a s f a s e een t e v e r -w a a r l o z e n h o e v e e l h e i d a z i j n z u u r b e v o n d . B e r e k e n i n g v a n de c o n d e n s o r . De a f t e v o e r e n warmte b e s t a a t u i t a f k o e l i n g s w a r m t e en c o n -d e n s a t i e w a r m t e . ^w= 4 f k . + ^ co nd . . Cf - i s b e p a a l d op 550 KW en £f , op 875 KV/, ( l i t 10) B i j een i n g a n g s t e m p e r a t u u r v a n h e t k o e l w a t e r v a n 20 G en een u i t g a n g s t e m p e r a t u u r van 3 0° C w o r d t A T ^ 4 4 , 3° C .Met een g e s c h a t t e warmteoverdrachtscoëfficient v a n 500 W/m' w o r d t h e t w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r v l a k 64 m .
D i t komt o v e r e e n met 269 b u i z e n v a n 1 i n c h en 3 m l e n g t e . De b e n o d i g d e h o e v e e l h e i d k o e l w a t e r i s 34 k g / s .
5 e 6 . Condensor H9. I n H9 w o r d t de g a s f a s e v a n de i n Il6 g e d e e l t e l i j k g e c o n d e n -s e e r d e p r o d u k t -s t r o o m v e r d e r a f g e k o e l d . B e h a l v e w a t e r s t o f en r e s t g a s g a a n n u a l l e componenten conden-s e r e n . De t e m p e r a t u u r i n de c o n d e n conden-s o r , 0 °C, i conden-s z o g e k o z e n dat de g a s s t r o o m d i e H9 v e r l a a t , v e r w a a r l o o s b a r e h o e v e e l h e - . ^ — f den w a t e r , e t h a n o l en e t h y l a c e t a a t b e v a t . i, De s a m e n s t e l l i n g e n v a n de g a s - en v l o e i s t o f s t r o m e n u i t H9 z i j n op d e z e l f d e w i j z e b e r e k e n d a l s d i e b i j H6. O comp. G m o l / s e c L m o l / s e c A c h 14.90 16.69 2 25.03 — r e s t 1.82 -J. H20 — 1.68 E t OH — 1.97 i EA — 0.46 t o t a a l 41.75 20.80 | i De a f t e v o e r e n warmte b e s t a a t weer u i t c o n d e n s a t i e w a r m t e en a f k o e l i n g s w a r m t e . V ^ c o n d . + * a f k . = 58 1 + 81 "6 6 2 KW ' ^ i * - 1 0 ) A l s k o e l m i d d e l w o r d t f r e o n 2 , 2 g e b r u i k t . De verdampIngs-warmte d a a r v a n b e d r a a g t b i j -5°C 205 J / g . P r o d u k t s t r o o m : Ti n= 30°C F r e o n : T = = -5°C T ., = 0°C u i t 2 o Met e e n g e s c h a t t e warmteoverdrachtscoëfficient v a n 5 0 0 W/ m . C en e e n A T L N v a n 15.5°C i s h e t b e n o d i g d e w a r m t e w i s s e l e n d -o p p e r v l a k 90.7 m2. D i t komt o v e r e e n met 196 b u i z e n v a n 6 m l e n g t e e n 1 i n c h d i a m e t e r . E r i s 3.44 k g / s v l o e i b a r e f r e o n n o d i g .
. C o n d e n s o r 1117.
I n H17 w o r d t de g a s s t r o o m u i t H9 v e r d e r g e k o e l d w a a r b i j c o n d e n s a t i e v a n a c e e t a l d e h y d e o p t r e e d t . De t e m p e r a t u u r i n de c o n d e n s o r i s ~30°C. D i t wordt b e p a a l d door de maximaal t o e l a a t b a r e h o e v e e l h e i d a c e e t a l d e h y d e i n a b s o r p t i e k o l o m T 2 3 . De s a m e n s t e l l i n g e n v a n de g a s - en v l o e i s t o f s t r o m e n d i e de c o n d e n s o r v e r l a t e n z i j n w e e r op d e z e l f d e - w i j z e a l s b i j H6 b e r e k e n d . comp. L m o l / s G m o l / s A c h 12.32 2.58 H2 — 25.03 r e s t 1.82 — , , De a f t e v o e r e n warmte b e s t a a t w e e r u i t een h o e v e e l h e i d c o n d e n s a t i e w a r m t e , /^o n (j = 344 KW en een h o e v e e l h e i d a f k o e l i n g s w a r m t e &af]z~ 58 KW. A l s k o e l m i d d e l w o r d t f r e o n v a n 35°C g e b r u i k t . De v e r -damp i n g s w a r m t e v a n f r e o n b i j d e z e t e m p e r a t u u r b e d r a a g t 235 J / g . P r o d u k t s t r o o m ; T. = 0°C, T ..=-30°C l i l U I y ïreon: l ^ . = -35°0 a Tl n= 1 5 . 4 ° 0
Met een g e s c h a t t e o v e r a l l warmteoverdrachtscoëfficiënt U v a n 500 W/ra . C en een warmtestroom v a n 402 KW v o l g t h i e r
-p
u i t d a t h e t b e n o d i g d w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r v l a k 50 m b e d r a a g t . D i t komt o v e r e e n met 208 b u i z e n v a n 3 m l e n g t e en een d i a m e t e r v a n 1 i n c h .
5 . 8 . W a r m t e w i s s e l a a r 1112.
Do e t h a n o l d i e i n T23 a l s a b s o r p t i e m i d d e l g a a t f u n g e r e n w o r d t e e r s t i n twee s t a p p e n g e k o e l d . De e e r s t e s t a p b e ~ s t a a t u i t h e t k o e l e n met s t r o o m 16 u i t V11 i n w a r m t e w i s -s e l a a r H12.
Aangenomen i s d a t de e t h a n o l met een t e m p e r a t u u r v a n 20°C b i n n e n k o m t . De t e m p e r a t u u r v a n s t r o o m 16, d i e h o o f d z a k e l i j k u i t a c e e t a l d e h y d e b e s t a a t i s 0°C, en mag b i j deze warmte-w i s s e l i n g t o t m a x i m a a l 15°C s t i j g e n . Met de C w a a r d e n u i t l i t 10, i s de o v e r t e d r a g e n w a r m t e -s t r o o m b e r e k e n d op 21 KW. De u i t g a n g -s - t e m p e r a t u u r v a n de e t h a n o l i s h i e r m e e b e p a a l d op 15°C. S t r o o m 16: 0°G Tu i t= 15°C E t h a n o l : Ti n= 2 0 ° C 0 ?u i t= 15°C A T LN = 9°C U i s g e s c h a t op 500 W/m2. ° C .
Met (2^= U . A. a T - ^ wordt h e t warmt e w i s s e l end o p p e r v l a k A
b e p a a l d op 4.72 m2.
D i t komt o v e r e e n met 20 b u i z e n van 3 m l e n g t e en 1 i n c h d i a m e t e r .
. W a r m t e w i s s e l a a r H19. I n H19 w o r d t de e t h a n o l d i e met 15°C u i t H12 komt v e r d e r a f g e k o e l d t o t een t e m p e r a t u u r v a n 9 ° C Deze t e m p e r a t u u r i s v o l d o e n d e l a a g om de t e m p e r a t u u r s t i j g i n g d i e b i j de a b s o r p t i e i n T23 o n t s t a a t op t e vangen. A l s k o e l m e d i u m i n H19 w o r d t s t r o o m 26 u i t V18 g e b r u i k t . Deze s t r o o m b e s t a a t u i t a c e e t a l d e h y d e v a n - 3 0 ° C .
Met l i t 10 werd de o v e r t e d r a g e n warmtestroom b e p a a l d op 21 KW en w e r d e n de v o l g e n d e i n - en u i t g a n g s t e m p e r a t u r e n b e r e k e n d : e t h a n o l : 3?^= 1 5°C T u i t = 9 ° C s t r o o m 16: Ti n= - 3 0 ° C Tu i t= 5°C * ?l n= 21°C U i s g e s c h a t op 500 W/m2. ° C Met 0= U.A. T-^ w o r d t h e t w a r m t e w i s s e l e n d o p p e r v l a k b e p a a l d op 2 . 5 ra2» D i t komt o v e r e e n met 12 b u i z e n van 3 m l e n g t e
5.10. Waskolom T23. I n T23 w o r d t de r e s t van h e t a c e e t a l d e h y d e , d a t i n c o n d e n s o r H17 i n de g a s f a s e i s g e b l e v e n , u i t de g a s s t r o o m g e h a a l d . A l s w a s v l o e i s t o f i s h i e r g e k o z e n e t h a n o l , d a t n a d e s t i l l a t i e v e s c h e i d i n g van h e t a l d e h y d e g e b r u i k t w o r d t a l s r e a c t a n t . Een a n d e r e m o g e l i j k h e i d z o u z i j n om i n een g e s l o t e n c i r c u i t t e w e r k e n met een g r o t e h o e v e e l h e i d w a s v l o e i s t o f . Het v o o r -d e e l v a n z o ' n s y s t e e m i s , -d a t i n c o n -d e n s o r H17 n i e t zo -d i e p g e k o e l d h o e f t t e worden,vanwege een g r o t e r e t o e l a a t b a r e hoe-v e e l h e i d a l d e h y d e i n de g a s s t r o o m ( z i e l a t e r ) . E e n n a d e e l i s d a t dan een k l e i n e h o e v e e l h e i d a l d e h y d e g e s c h e i d e n moet worden v a n een g r o t e h o e v e e l h e i d w a s v l o e i s t o f , d i e n a de d e s -t i l l a -t i e w e e r a f g e k o e l d moe-t w o r d e n .
B i j d i t o n t w e r p i s de v o o r k e u r g e g e v e n aan g e b r u i k m a k i n g v a n de v o o r de r e a c t i e b e n o d i g d e e t h a n o l . D e z e w o r d t e e r s t g e k o e l d met de twee koude v l o e i s t o f s t r o m e n a f k o m s t i g van de c o n d e n s o r s H9 en H17.Na a b s o r p t i e w o r d t d e s t i l l a t i f g e s c h e i -den i n T20 ,waarna de e t h a n o l op k o o k t e m p e r a t u u r ,samen met de e t h a n o l r e c y c l e s t r o o m i n w a r m t e w i s s e l a a r H6 v e r d e r v e r h i t w o r d t . y y> De h o e v e e l h e i d t e a b s o r b e r e n a c e e t a l d e h y d e w o r d t b e p a a l d A l s aangenomen w o r d t d a t i n de a b s o r p t i e k o l o m een u i t g a n g s -t e m p e r a -t u u r v a n 15 °C nog a c c e p -t a b e l i s , d a n l e g -t d i -t , me-t de g e g e v e n i n g a n g s t e p e r a t u r e n v a n g a s en v l o e i s t o f ,de hoev e e l h e i d t e a b s o r b e r e n a c e e t a l d e h y d e hoev a s t . Wordt de k o e l -t e m p e r a -t u u r v a n c o n d e n s o r H17 op -30 °c gehouden dan i s de h o e v e e l h e i d a c e e t a l d e h y d e i n de g a s s t r o o m 2.58 m o l / s . D i t r e s u l t e e r t i n een t e m p e r a t u u r s t i j g i n g i n k o l o m T23 t o t 14 C.
V o o r d e j b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n van een z e e f p l a t e n k o l o m met de v o l g e n d e g e g e v e n s : w a r m t e o n t w i k k e l i n g d i e o n t s t a a t b i j a b s o r p t i e . F = 0 . 1 ( v r i j e r u i m t e ) v o e d i n g boven:1.547 k g / s EtOH b=0.5 m / m2( o v e r l o o p r a n d l e n g t e ) t e m p e r a t u u r : 9°C. 1^=40 m m . ( o v e r l o o p r a n d h o o g t e ) v o e d i n g o n d e r : 0 . 1 2 4 k g / s AcH 0.050 ,, H2 0058 ,, r e s t
B i j de b e r e k e n i n g i s z o v e e l m c g e l i j k g e w e r k t aan de hand v a n l i t 12 De k o l o m d i a m e t e r k a n b e r e k e n d worden met de g r o o t s t e v o l u m e -s t r o o m i n de kolom.De g r o o t -s t e volurae-stroorn i -s de g a -s -s t r o o m , d i e 0.63 m / s b e d r a a g t . U i t fig.8(lit«l2) k a n met de g e g e v e n s : G=0.i5 k g / s L=0.5 k g / s 5=800 kg/m5 A=0.24 kg/m5 b= 0.5 m/m en met de v e r g e l i j k i n g : h e l l i n g d = G / L . b ( l i t . 1 2 ) de m a x i m a l e g a s s n e l h e i d u max b e p a a l d worden.Zo w o r d t een max-i m a l e superfmax-icmax-iële g a s s n e l h e max-i d v a n 4m/s g e v o n d e n . Boven d max-i e s n e l h e i d t r e e d t f l o o d i n g v a n de k o l o m op. De o p t i m a l e g a s s n e l -h e i d i s op 80 % v a n de u max g e k o z e n : u = 3.2 m/s. •z g ë Met 0y=O.63m / s v o l g t h i e r de k o l o m d i a m e t e r u i t : =0 v g 4 D=0.5 m. Het o p e r a t i e g e b i e d v a n z e e f p l a a t s c h o t e l s w o r d t n i e t a l l e e n d o o r een m a x i m a l e maar ook d o o r een m i n i m a l e g a s s n e l h e i d b e p a a l d : de d o o r r e g e n g r e n s . D e z e g r e n s w o r d t b e p a a l d d o o r de d r u k v a l o v e r de p l a a t d i e v e r o o r z a a k t w o r d t d o o r de h o o g t e v a n de v l o e i s t o f -kolom op de p l a a t .Met f i g 8 ( l i t. 1 2 ) en h l =how + £, ,hw i s een t o -t a l e v l o e i s -t o f h o o g -t e v a n 58 mm berekend'., h l = t o t a l e v l o e i s t o f h o o g t e how= h o o g t e o v e r l o o p r a n d £-^= v l o e i s t o f p e r c e n t a g e s c h u i m hw =hoogte s c h u i m l a a g 2
De d r u k v a l b e d r a a g t dan hl,^.g=464N/m . Deze d r u k v a l moet op-g e b r a c h t w o r d e n d o o r de op-g a s s t r o o m . H i e r u i t en met b e h u l p v a n f i g 9 ( l i t. l 2 ) i s de d o o r r e g e n g r e n s b e p a a l d op 2.5 m/s.
De b e p a l i n g v a n de e v e n w i c h t s r e l a t i e i s g e s c h i e d aan de hand v a n een p u b l i c a t i e d i e de ^ w a a r d e n v a n de e v e n w i c h t s v e r g e -l i j k i n g • E > * y i= f i , xi , i) i 0 v a n de s y s t e m e n AcH-HgO,AcH-EtOH en
enEtOH-HgO b i j t e m p e r a t u r e n t u s s e n 10 en 30°C w e e r g e e f t . ( l i t . 1 8 ) De g e g e v e n ? v a n de s y s t e m e n AeHEtOh en AcHHgO z i j n i n de f i g u -r e n 1 en 2 w e e -r g e g e v e n . Om de v e r g e l i j k i n g t e v i n d e n d i e de g a s f a s e c o n c e n t r a t i e aan a c e e t a l d e h y d e w e e r g e e f t b i j een b e p a a l d e v l o e i s t o f c o n c e n t r a t i e i n h e t EtOH-HgO m e n g s e l i n de vorm v a n y=H.x ? y = c o n c . AcH i n g a s < l v <~"' X = , , V l s t f . H=Henri coëff.
i s een g e m i d d e l d e H-coëff. foebruikt.Deze H i s b e p a a l d u i t de
g e m i d d e l d e H-coefficiënten v a n de s y s t e m e n AcH-EtOH en Ach-R^O
l n Hm e n g s e l= x-l n HA c H - E t O H+ ( l-x ) l n HA c H - H90 ^ 1 . 5 4 5 k g / s -33.64 m o l / s EtOH .060 k g / s = 3.94 m o l / s Ho0 .050 k g / s =25 mol/s H2 .058 k g / s =3.52 m o l / s r e s t g a s .124 k g / s =2.58 m o l / s AcH
G e s t e l d d a t a l l e AcH i n H^O o p l o s t dan i s de c o n c e n t r a t i e
2.58/(2.58+3.94)=.4 U i t f i g ( l ) v o l g t dan een g e m i d d e l d e H - c o e f f v a n 1320 mm Hg=1.71 a l m .
I n d i e n a l l e AcH i n EtOH o p l o s t w o r d t de c o n c e n t r a t i e .06 U i t f i g ( 2 ) v o l g t dan een g e m i d d e l d e H v a n 75mm Hg =.1 atm.
l n H = . 8 9 5 * l n . 1 +.105*ln1.71 o f H=.127 atm. Het s c h o t e l r e n d e m e n t w o r d t b e p a a l d d o o r de s t o f o v e r d r a c h t , d i e w e e r a f h a n g t v a n de stofoverdrachtcoëfficiënten i n gas- en v l o e i s t o f f a s e en h e t u i t w i s s e l e n d o p p e r v l a k . Het o p p e r v l a k i s b e r e k e n d met de v o l g e n d e g e g e v e n s : 2/5"' dbel=_?p_ g
T75
a= 6 £9/ db e l z=hl/£x Qp= .63/980 ^=0.65,^*9=0.35 (aangenomen) d ^e^ = b e l d i a m e t e r Qp=hoevëelheid g a s d i e d o o r een p o r i e g a a t h l = h o l d u p ( m ) ( r a3/ s ) 2 3 a . z = f a s e g r e n s v l a k opp. (m / n r ) v l o e i s t o f f r a c t i e v a n h e t s c h u i m2 3 h i e r u i t v o l g t een u i t w i s s e l e n d o p p e r v l a k a.z =32.2 m /ra . De stofoverdrachtcoëfficiëten i n de g a s - en de v l o e i s t o f f a s e z i j n a l s v o l g t b e r e k e n d . ( l i t . 9 , 1 0 , 1 3 , 1 6 , 1 7 , 1 8 ) g a s f a s e : v l o e i s t o f f a s e : T u bed l K1 =2 D. met; 4b e l ' 10^=1 . 2 5 x 1 0 ~9 m2>/s Ugbed=3.3x10/9 ra/s db e l= 2 0 x 1 0 -5m . «fa =0.65 K =D /d . 0 . 0 2 3 . R e0 , 8, Re=4/i\vQp/dp. Sc= /ÏD . ID =4x10 V / s Sc 0.33 en v o l g t : dp= 5 x 1 0 ' r a ^ = 8 . 5 x 1 0 " g / ^=0.24 kg/m5 ras ^ = 6 . 7 x 1 0 -4 m/s en K =3.32 m/s K. °g K 6 rn K-ra =kraolAcH/ra i n de g a s f a s e kmolAcH/m i n de v l o e i s t o f f a s e =H.44.64/17931=3.26x10~4 •z 4 4 . 6 4 - a a n t a l mol H^/m 1 7 3 9 1 = a a n t a l mol E t 0 H / m3 Nu m,K,enK b e k e n d z i j n k a n K b e r e k e n d w o r d e n . U i t K ,a.z en 1 g 0 og o g ' Ugbed i s h e t M u r p h r e e s c h o t e l r e n d e m e n t b e r e k e n d . Er a p= 1-exp (-Ko g -a-z /ugbe d) E =0.97 mp
B i j een v l o e i s t o f l e n g t e o v e r de p l a a t van 0.4m raag h e t s c h o t e l rendement g e l i j k g e a c h t warden aan h e t E ( l i t . 1 2 )
Em s = -9 7
D i t v o o r a b s o r p t i e kolommen wat hoge rendment w o r d t voorname-l i j k b e p a a voorname-l d d o o r de g r o t e d i f f u s i e s n e voorname-l h e d e n i n h e t w ^ t e r s j t o f en de l a g e d i c h t h e i d , z o d a t hoge g a s s n e l h e i d m o g e l i j k i s .
Het a a n t a l s c h o t e l s kan b e r e k e n d worden u i t g a a n d e v a n de h e l -l i n g e n v a n de e v e n w i c h t s -l i j n en de w e r k -l i j n en de g e w e n s t e e i n d ' c o n c e n t r a t i e i n de g a s f a s e , d i e op 0.0001 g e s t e l d i s . ( l i t . l 4 )
O l o g A=L/mG ynP + 1 -m.x 0 y - i -m'xo ( 1 - 1 / A ) + 1 / A l o g A L = 3 8 . 4 8 G = 3 0 m= 3-26x10 y ^ . 0 0 0 1 -4 ynp + i ' A = 1 0 . 7 9 . 0 7 Het a a n t a l s c h o t e l s b e d r a a g t n u N p= 2 . 8
Met h e t r e n d e m e n t v a n 97% worden d i t 3a4 s c h o t e l s .
Nemen we de s c h o t e l a f s t a n d op 0.5 m dan w o r d t de h o o g t e v a n de k o l o m 4x^+1=3m B e r e k e n i n g v a n de t e m p e r a t u u r s t i j g i n g : De warmte d i e v r i j komt b e d r a a g t 0 = 0mx c o n d e n s a t i e w a r m t e 4* * SS 0M= . 1 1 3 k g / s Hc o n d . =1 4 2 C a l/ S b i j 0°C.
Met d e z e warmte w o r d t opgewarmd: 0mxëpXAT
6 2 x ( T 2 - 9 ) = .113x142 =T57T20 k c a l / s E t O H: 1 5 4 5 x . H20 : 7 1 x 1 x ( T 2 - 9 ) H2 : 5 0 x 3 . 4 x ( T 2 + 3 0 ) AcH : 1 2 4 x . 3 2 x ( T 2 + 3 0 ) r e s t : 5 8 x . 3 1 x (T 2h - 3 0 ) H i e r u i t v o l g t: T 2 = 1 4 °C. De v l o e i s t o f en de g a s s t r o o m worden dus opgewarmd t o t 1 4 °C. O J
O
5.11. D e s t i l l a t i e t o r e n T 10
De v o e d i n g v a n de z e e f p l a t e n k o l o m T10 w o r d t gevormd d o o r de v l o e i s t o f s t r o o m v a n c o n d e n s o r H 6 en h e t bodemproduct v a n d e s -t i l l a -t i e k o l o m T14.Deze -twee p r o c e s s -t r o m e n worden samengevoegd en komen de k o l o m met een t e m p e r a t u u r v a n 3 7 °C b i n n e n .
I n de k o l o m w o r d t a l l e gevormde a z i j n z u u r en de n e t t o p r o d u c t i e a a n w a t e r u i t h e t s y s t e e m g e h a a l d . A z i j n z u u r en w a t e r v o r men h e t b o d e m p r o d u c t , o v e r de t o p g a a t een e t h a n o l w a t e r e t h y l -a c e t -a -a t mengsel«Eth-anol en w -a t e r vormen een -a z e o t r o o p , e v e n -a l s e t h a n o l , w a t e r en e t h y l a c e t a a t .
D e s t i l l a t i e v a n een d e r g e l i j k s y s t e e m k a n beschouwd worden a l s een d r i e componenten s y s t e e m : 1 t e r n a i r e a z e o t r o o p 2 l i g h t k e y ^ b i n a i r e a z e o t r o o p 3 h e a v e y k e y = a z i j n z u u r watermen-s e l w a a r b i j de l i g h t k e y v a n de heavey k e y g e s c h e i d e n w o r d t . Door d e z e s c h e i d i n g 99 % t e k i e z e n v o l g t v o o r de s c h e i d i n g v a n de t e r n a i r e a z e o t r o o p v o l g e n s de H e n g s t e b e c k m e t h o d e ( l i t . m ) dat 99.9 % v a n de t e r n a i r e a z e o t r o o p o v e r de t o p g a a t . V o o r de b e r e k e n i n g v a n de k o l o m i s een ruwe b e n a d e r i n g s m e t h o d e g e b r u i k t , d i e v e r m e l d s t a a t i n l i t . 1 4 . De t a b e l met g e g e v e n s z i e t e r a l s v o l g t u i t : V o e d i n g m o l / s V o e d i n g m o l / s C r e l . v l . t o p bodem -(pBjia)» { ËtÖh 8". 38"" t ~ a".'~"" 2".6Cf " 70*. 3 2~.89"~~ 2~.6 Ö~ ~. 0*3 127Ö~ H20 14.38 l . k . 9. 0 5 78 2.36 8.96 .09 1040 E.A. 1.51 h.k. 13.28 101 1 0.13 13.15 440 HAc _.65 Q B e p a l i n g v a n h e t minimum a a n t a l s c h o t e l s v o l g e n s P e n s k e ( l i t . " i ) met l o g ( ( x lk/ xhk)D. ( x hk/ xlk)B) jf= . e n b o v e n s t a a n d e g e -l o g ( «l k/ «h k)g e m < '
g e v e n s v o l g t h e t minimum a a n t a l s c h o t e l s Nm i n= 1 0 . 4 1 Het t h e o r e t i s c h a a n t a l s c h o t e l s k a n b e r e k e n d worden a l s de m i n i m u m r e f l u x v e r h o u d i n g bekend i s . B e r e k e n i n g v a n de m i n i m u m r e f l u x v o l g e n s Underwood: 1
V ^ / « i
x.P L/Dm i n .+ 1 met t r i a l + e r r o r methode i s 0=1.44 b e r e k e n d ( l i t. 1 4 De. o p t i m a l e r e f l u x v e r h o u d i n g i s op 1 » 5 x Rm i n b e p a a l d : Ro Pt = 1 -95Met d e z e twee v e r h o u d i n g e n k a n n u u i t g e r e k e n d
worden:-L / D - I / Dm i n =0.22 met l i t . v o l g t h i e r u i t v o o r N* *Nm i n =0.45
"L7D+T N+1
Nm i n= n 0 , 4 1 N=19.75 t h e o r e t i s c h e s c h o t e l
Nemen we v o o r de o v e r a l l e f f i c i e n c y 60% dan b e d r a a g t h e t a a n t a l s c h o t e l s 33. De hoogte v a n de kolom w o r d t dan a l s de s c h o t e l -a f s t -a n d 0 . 5 m i s , 17.5 m. De p l a a t s v a n de v o e d i n g i n de k o l o m i s b e r e k e n d met de methode v a n K i r k b r i d e ( l i t . ) l o g m/p =0.206 l o g ( x lk ) F B I """" D lxl k ^ B W k ^ D j
J
m = a a n t a l s c h o t e l s boven de v o e d i n g p = a a n t a l s c h o t e l s o n d e r de v o e d i n g m/p =0.91 m+p = 33 De v o e d i n g komt dus op de 17 s c h o t e l b i n n e n . B i j de b e r e k e n i n g v a n de v l o e i s t o f - en g a s s t r o m e n i n de k o l o m i s u i t g e g a a n v a n g e l i j k e v e r d a m p i n g s - en c o n d e n s a t i e warmtes v a n de d i v e r s e componenten.B e r e k e n i n g v a n de s t r o m e n : Gegeven L b o d e m = f »b= Lt o p+ q . F
V
Lt
+ 2 7'
4 2l
Lh= 5 0 . 1 4 m o l / s K=13.23 Lt=1.95x11.65=22.72 m o l / s j ^ ' : 6 5 VGt - '1- ^ -F V G t+ 2' « 2 G,=34.37 »ol/« G,=50.14-13.28=36.86 m o l / s ) 1 F=24.93 de r e b o i l e r v e r h o u d i n g =Gb/K=2.78 B e r e k e n i n g v a n de d i a m e t e r v a n de k o l o m . I n de t o p s e c t i e h e e r s t een g a s s t r o o m v a n 34.37 m o l / s . D i t komt n e e r op een g a s b e l a s t i n g v a n ,980m / s . Nemen we aan d a t de opt i m a l e g a s s n e l h e i d v a n de k o l o m 2m/s b e d r a a g opt dan w o r d opt de d i a -m e t e r v a n de k o l o -m D=0.8 -m. De v l o e i s t o f s t r o o m i n de t o p s e c t i e b e d r a a g t 22.72 m o l / s , d i t komt n e e r op een v l o e i s t o f b e l a s t i n g v a n 1x10 m / s . Gas- en v l o e i s t o f b e l a s t i n g z i j n geen o n a f h a n k e l i j k t e k i e z e n p a r a m e t e r s , m a a r p a s s e n b i j e l k a a r z o a l s f i g 8 ( l i t . 1 2 ) a a n g e e f t I n d e z e g r a f i e k s t a a t Ug.M££ u i t g e z e t t e g e n q*/b. p= d i c h t h e i d W 3 2 q * = v l o e i s t o f b e l a s t i n g ( m /m ) •z p u = g a s b e l a s t i n g (m /m ) b = o v e r l o o p r a n d l e n g t e m/m~ A l s b=0.2 g e k o z e n w o r d t , p a s s e n de a b c i s - e n o r d i n a a t w a a r d e n goed b i j e l k a a r . I n de b o d e m s e c t i e n e e r s t een g a s s t r o o m v a n 36.86 m o l / s . H i e r -u i t v o l g t een d i a m e t e r v a n 0.8 m.Met een b v a n 0.2 z a l ookde b o d e m s e c t i e i n h e t w e r k i n g s g e b i e d v a n de z e e f p l a a t v e r k e r e n . C o n d e n s o r H8 In H8 w o r d t de g a s s t r o o m G^. g e c o n d e n s e e r d met k o e l w a t e r . D e z e v l o e i s t o f s t r o o m w o r d t g e d e e l t e l i j k t e r u g g e s t u u r d n a a r de k o l o m (L^.)en g e d e e l t e l i j k a f g e v o e r d ( D ) n a a r H5. I n o n d e r s t a a n d e t a b e l w o r d t de h o e v e e l h e i d a f t e v o e r e n warmte en de b e n o d i g d e h o e v e e l h e i d k o e l w a t e r - u i t g e r e k e n d .
O §§ïïËS2Ïêllit}ë_St - ±H(£§l/si 24.75 m o l EtOH x 46 x 207 = 247 4.45 mol E.A. x 88 x 193 = 76 5.16 m o l H20 x 18 x 540 = 52 0 t o t = 3 7 5 k c a l / s =1570kW De h o e v e e l h e i d k o e l w a t e r d i e d a a r v o o r n o d i g i s b e d r a a g t 18.73 kg/s a l s h e t w a t e r 20 °C i n t e m p e r a t u u r s t i j g t . R e b o i l e r H13 I n H13 moet G^mol/s v e r d a m p t w o r d e n . D i t b e s t a a t u i t 1.80 m o l / s HAc en 35.06 mol Hgp De h o e v e e l h e i d t o e t e v o e r e n warmte b e d r a a g t : Jm ol x _ M _ x _ . H . = Jw 1.80 60 97 = 0w 1 0w l+ 0w 2= 3 5 5 k c a l / s = 1 4 7 1 kW 35.06 18 540 =0 0 H i e r v o o r w o r d t l a g e d r u k s t o o m g e -b r u i k t , w a a r .69 k g / s v a n n o d i g i s . B i j de b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n v a n g e l i j k e v e r d a m p i n g s w a r m t e s v a n e t h a n o l , w a t e r , e t h y l a c e t a a t en a z i j n z u u r . D e z e ( f o u t e ) v e r -o n d e r s t e l l i n g h e e f t t -o t g e v -o l g d a t de w a r m t e b a l a n s -o v e r de k -o l -o m n i e t k l o p t . B i j de m a s s a + w a r m t e b a l a n s i n h o o f d s t u k 7 i s h i e r -v o o r g e c o r r i g e e r d . O De s a m e n s t e l l i n g e n v a n de a z e o t r o p e n b i n a i r e : gew. % mol% EtOH 95.6 89.5 H20 4.4 1 0 . 5 0 t e r n a i r e : gew.^ m o l ^ EtOH 8.4 1 1 . 3 E.A. 82.6 57.9 O H20 9. 0 3 0 . 8
D 5.12. D e s t i l l a t i e t o r e n T14 In T14 komt de v l o e i s t o f s t r o o m v a n H9 b i n n e n . O n g e v e e r de h e l f t v a n de t o t a l e p r o d u c t i e aan a c e e t a l d e h y d e w o r d t h i e r g e s c h e i -den v a n een k l e i n e h o e v e e l h e i d w a t e r , e t h a n o l en e t h y l a c e t a a t . 0m f r a c t i e kookp dampsp H30°C Cp30°C Y2§ding__mol/s m o l ^ °C___,3_0°C(psia)___bal/g__cal/g°C__ AcH 16.69 .80 20 2091 134 .32 H20 1.68 .08 100 96 580 1.00 EtOH 1.97 .09 78 218 217 .60 E ^ .46 .Q2_._ 77 291 192__.__.d7 B i j de b e r e k e n i n g i s e r v a n u i t g e g a a n d a t de d e s t i l l a t i e op t e v a t t e n i s a l s de d e s t i l l a t i e v a n e e n b i n a i r s y s t e e m : A c H - m e n g s e l . T e v e n s i s aangenomen d a t de m o l e n s t r o m e n i n de k o l o m c o n s t a n t b l i j v e n . I n w e r k e l i j k h e i d i s d i t n i e t zo vanwege de n o g a l v e r u i t e e n l i g g e n d e waarden v a n de v e r d a m p i n g s w a r m t e s . D e n i e t c o n -s t a n t e m o l e n -s t r o m e n z u l l e n een o n g u n -s t i g e i n v l o e d op de w e r k i n g v a n de kolom h e b b e n . H i e r v o o r i s g e c o r r i g e e r d d o o r de o v e r a l l e f f i c i e n c y l a a g t e k i e z e n :50% De v e r g e l i j k i n g v a n de e v e n w i c h t s l i j n l u i d t : y = 1+(<*-1 ).x «• = de r e l a t i e v e v l u c h t i g h e i d = PA c H/p m en g s e l ( z o n d e r AcH) Pm e n g s e l = f x i P i =1 7 6 P si a 1 11.88 P. „= 2091 p s i a / e v e n w i c h t s v g l .= =y A o n J 1+10.88.x De v e r g e l i j k i n g v a n de q - l i j n w o r d t : HG ~HF 175.92+6.33 q= = =1.036 HL"*HG 175.92 y = q / ( q - l ) . x - l / ( q - l ) . x LF Om de m i n i m u m r e f l u x tér.bepalen s n i j d e n we de q - l i j n met de e-v e n w i c h t s k r o m m e . H e t s n i j p u n t i s .8097,.9305 Met e e n g e k o z e n d e s t i l l a a t f r a c t i e Xp=0.999 en de v g l . v a n de e e r s t e w e r k l i j n y=R/(R+1).x+1/(R+1).x^ v i n d e n we e e n Rr a i n v a n 0.1034 . A l s v o o r R 0p+,j1«5 x Rm^n genomen w o r d ttv o l g t u i t h e t M c C a b e - T h i e l e d i a g r a m 8 t h e o r e t i s c h e s c h o t e l s ( f i g 3 ) . M e t de 50 % o v e r a l l e f f i c i e n c y w o r d t h e t t o t a a l a a n t a l s c h o t e l s 16.
De v o e d i n g komt dan op de 8e s c h o t e l b i n n e n . M e t een s c h o t e l a f s t a n d v a n 0.5 m w o r d t de t o t a l e k o l o m h o o g t e 9m. B e r e k e n i n g v a n de s t r o m e n i n de k o l o m . D=16.69 R=Lt/D Lt= 2 . 7 5 Lb= Lt+ q . F = 2 4 . 2 6 K= 4.07 Gt=Lt+D-19.44 Gb= Gt~ ( 1 - q ) . F =20.14 F=20.76 Rr e b= Gb/ K = 2 0 . 1 4 / 4 . 0 7 = 4.95 q=1.036 R=.165 De v e r g e l i j k i n g v a n de e e r s t e w e r k l i j n w o r d t : y=.1416.X+.8575 De s a m e n s t e l l i n g v a n h e t k e t e l p r o d u c t i s a l s v o l g t b e r e k e n d : A c Hi r= D . xD+ K xK 16.69 =16.69»0.999 + 4 . 0 7 . xK xK= . 0 0 4
E r b l i j f t d u s een z e e r g e r i n g e h o e v e e l h e i d aan AcH i n h e t bodem p r o d u c t a c h t e r . H i e r i s v e r d e r g e e n r e k e n i n g mee gehouden. B e r e k e n i n g v a n de d i a m e t e r v a n de k o l o m . !fop: Gt=19.44 m o l / s =475 1/s A l s de superficiële g a s s n e l -h e i d i n de k o l o m 3m/s genomen w o r d t v o l g t d a a r een d i a m e t e r v a n 0.45 m u i t . — 3 3 1^=2.73 m o l / s =.120x10 ^ m / s , k i e z e n we de o v e r l o o p r a n d l e n g t e b 0.2 dan v e r k e e r t de k o l o m i n h e t o p e r a t i e g e b i e d v a n de scho-*-t e l . Bodem: Gb=20.14 m o l / s = 5 2 1 l / s . De d i a m e t e r v a n de b o d e m s e c t i e
kan dus g e l i j k aan d i e v a n de t o p z i j n . — 3 3 Lb= 2 4 . 2 6 m o l / s =.776.10 /s.Om t o c h i n h e t o p e r a t i e g e b i e d v a n de s c h o t e l t e w e r k e n moet de o v e r l o o p r a n d l e n g t e v a n de s c h o t e l s i n de b o d e m s e c t i e a n d e r s z i j n dan d i e v a n de t o p : - b=0.5 De v e e l g r o t e r e v l o e i s t o f s t r o o m i n de b o d e m s e c t i e i s de o o r z a a k van de g r o t e r e o v e r l o o p r a n d l e n g t e ~ b . b b e p a a l t g r o t e n d e e l s de l a y - o u t v a n de p l a t e n .
C o n d e n s o r H15 I n H15 w o r d t 6^ =19.44 m o l / s AcH g e c o n d e n s e e r d . De h o e v e e l h e i d a f t e v o e r e n warmte w o r d t d e r h a l v e : 0 = 0 x AH , =115 k c a l / s o f w e l 486 kW. w ín coxiö-* H i e r v o o r w o r d t f r e o n ( 2 , 2 ) g e b r u i k t ,waar dan 0w/ v e r d . w . f r e o n =115/49 =2.55 k g / s ( v l o e i b a a r ) v o o r n o d i g i s . R e b o i l e r H16
I n H16 moet Gb=20.14 m o l / s v e r d a m p t w o r d e n . Het bodemproduct
b e s t a a t u i t w a t e r e t h a n o l en e t y l a c e t a a t . De g e m i d d e l d e v e r d a m p i n g s w a r m t e p e r m o l i s (1.68x18x580/4.07+1.91x46x217/4.07+.44x88x102/4.07)=9.96 k c a l De t o e t e v o e r e n warmte w o r d t : 9.96x20.14 =200.7 k c a l / s =838 kW H i e r v o o r i s n o d i g 200.7/580 =.35 k g / s l a g e d r u k s t o o m . B i j de b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n v a n g e l i j k e v e r d a m p i n g s w a r m t e s v a n AcH,EtOH en E.A.Deze ( f o u t e ) v e r o n d e r s t e l l i n g h e e f t t o t g e -v o l g d a t de w a r m t e b a l a n s o -v e r de k o l o m n i e t k l o p t . B i j de t o t a l e massa+warmte b a l a n s v a n h o o f d s t u k 7 i s h i e r v o o r g e c o r r i g e e r d .
5.13. D e s t i l l a t i e k o l o m T20 In z e e f p l a t e n k o l o m T20 w o r d t h e t a c e e t a l d e h y d e d a t i n T23 d o o r de v e r s e e t h a n o l g e a b s o r b e e r d i s d e s t i l l a t i e f g e s c h e i d e n v a n de e t h a n o l . D e e t h a n o l v e r l a a t de k o l o m a l s b o d e m p r o d u c t en w o r d t n a v e r d a m p i n g gemengd met z u u r s t o f om v o o r de s y n -t h e s e g e b r u i k -t -t e w o r d e n . ve g e g e v e r s: f r a c t i e k o o k p dampdriik H Cp50°C
V o e d i n g mol% °C 50°e(nsia) c a l / g cal/g°C
E t OH .83 78 4.20 208 .68
H?0 .10 100 1 .78 568 1 .00
AcH .07 22 42.00 125 .32
De v o e d i n g komt met 40°C de k o l o m b i n n e n .Het k o o k p u n t v a n de v o e d i n g b e d r a a g t 76°C. Het b o d e m p r o d u c t k o o k t b i j 78°C. V o o r de b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n v a n g e l i j k e v e r d a m p i n g s w a r m -t e s v o o r de d i v e r s e c o m p o n e n -t e n . I n w e r k e l i j k h e i d l i g g e n de v e r d a m p i n g s w a r m t e s v e r u i t e l k a a r . V o o r de h i e r u i t v o o r t v l o e i ende g e r i n g e r e s c h e i d i n g s w e r k i n g i s g e c o r r i g e e r d d o o r een l a -g e r e overallefficiè'ncy t e k i e z e n :50%, De e v e n w i c h t s v e r g e l i j k i n g z i e t e r a l s v o l g t u i t : y= x/0+(«-1).x) 10.63.x <* = 10.63 y^ T + 9 T 6 3 T x ~ De v e r g e l i j k i n g v a n de q - l i j n l u i d t : q=1.11 y=9.89.x-0.53 V o o r de b e p a l i n g v a n de minimum r e f l u x v e r h o u d i n g w o r d t de q - l i j n met de e v e u w i c h t s k r o m m e g e s n e d e n . H e t s n i j p u n t i s . 1 1 4 » . 5 6 0 D i t , i n g e v u l d i n de v e r g e l i j k i n g v a n de e e r s t e w e r k l i j n , y=R/(R+1).x + 1 / ( R + 1 ) , xD, l e v e r t de Km in R . =0.98 „ mm V o o r de r e f l u x v e r h o u d i n g i s 1.25 x R m i n genomen:R =1.23 De v e r g e l i j k i n g v a n de e e r s t e w e r k l i j n w o r d t dan : y=.55.x +.45 U i t h e t M c C a b e - T h i e l e d i a g r a m v o l g t h e t a a n t a l s c h o t e l s : 8 t h e o r . ( f i g 4 ) H i e r b i j i s xD= 0.999 genomen .Met F xF= D xD+ K xK v o l g t h i e r u i t v o o r h e t b o d e m p r o d u c t : x ^ = . 0 0 0 7
B e r e k e n i n g v a n de s t r o m e n . O Gegeven qs1.11 Lt=RxD=3.15 LQ=Lt+qxF=44.58+3.15=47.73 D=2.53 Gt=Lt+D=3.15 +2.58=5.83 Gb= 5 . 8 3 - 1 ( 1 - q ) x F = K=37.58 =10.25 Rr e K= Gb/ K = 10.25/37. 58=0.273 F=40.06 B e r e k e n i n g v a n de d i a m e t e r v a n de k o l o m . De g r o o t s t e v o l u m e s t r o o m i n de b o d e m s e c t i e i s de g a s s t r o o m Gb=270 1/s.Nemen we v o o r de g a s s n e l h e i d 2m/s dan v o l g t h i e r u i t d a t de d i a m e t e r v a n de k o l o m 0.45m w o r d t . U i t f i g 8 ( l i t . 1 2 ) v o l g t d a t met de g e g e v e n g a s en v l o e i s t o f b e l a s t i n g de o v e r l o o p r a n d -l e n g t e v a n de z e e f p -l a t e n 0.5 m/m moet z i j n om t e v o -l d o e n aan de w e r k c o n d i t i e s v a n de p l a t e n . Boven de v o e d i n g b e d r a a g t de g a s s t r o o m G^ 1521/s. De k o l o m k a n h i e r n i e t d e z e l f d e d i a m e t e r houden a l s i n de b o d e m s e c t i e omdat dan de g a s s n e l h e i d t e l a a g w o r d t . B i j een d i a m e t e r v a n 0.3m w o r d t de g a s s n e l h e i d 2m/s.Deze s n e l h e i d p a s t goed b i j de 2 v l o e i s t o f b e l a s t i n g a l s een o v e r l o o p r a n d l e n g t e v a n 0.5 m/m ge-k o z e n w o r d t . U i t h e t a a n t a l s c h o t e l s en de s c h o t e l a f s t a n d v o l g t de h o o g t e j i t Ti / a a n t a l t h e o r . s c h . \ ~ c ... *n _ v a n de k o l o m : H=( ^ ^ ^ H o T " ) x 0 . 5 +1= 17 m De v o e d i n g w o r d t t u s s e n s c h o t e l 9 en 10 i n g e b r a c h t . C o n d e n s o r H21 I n H21 w o r d t G^mol/s a c e e t a l d e h y d e gecondenseerd,G^.=3.83 o f 0.256 k g / s . De h o e v e e l h e i d a f t e v o e r e n warmte 0 b e d r a a g t : . 2 5 6 x 1 3 4 = 3 4 . 4 c a l / s E r w o r d t b i j 15 C g e k o e l d met f r e o n waar dan 0.7 k g / s v l o e i b a a r v a n n o d i g i s .
R e b o i l c r H22 lx; H22 w o r d t G-, m o l / s v e r d a m p t , G, i s opgebouwd u i t 33 64 3 94 *,-'5 d e e l e t l i a n o l en 4^-'~p0deel w a t e r . De h o e v e e l h e i d t o e t e v o e r e n warmte b e d r a a g t d a n : 10.25x(46x41^-14x217-:-18x^79-4pX580) =103 k c a l / s =432kïï
De c o n d e n s a t i e ..armte van l a g e d r u k s toom b i j 85 C b e d r a a g t 5 0 8 c a l / g r a m . E r i s dus 0. 2 0 kg /s stoom n o d i g . B i j de . b e r e k e n i n g i s u i t g e g a a n v a n g e l i j k e v e r d a m p i n g s w a r m t e v a n de d i v e r s e s t o f f e n . D e s e ( f o u t e ) v e r o n d e r s t e l l i n g h e e f t t o t g e v o l g d a t de w a r m t e b a l a n s o v e r de k o l o m n i e t k l o p t . B i j de t o t a l e m a s s a + w a r m t e - b a l a n s ,hoof o.siuk 7 i s h i e r v o o r g e c o r r i g e e r d .
