Produktie van 1,4-butaandiamine

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~/ ,~~y~",'

TU Delft

Technische Universiteit Delft

,

F.V.O. Nr: 2677

Vakgroep Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

M.Ma1ais R.Po11ard

onderwerp:

Produktie van 1,4-Butaandiamine

adres: Curiep1aats 263 Rotterdam

Dries van V1erckstraat 125

opdrachtdatum: 25-4-86

verslagdatum: 9-6-88

:

•

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

\ . ::-... _. -_. ~ ----i- - ----.,,----,--.-

-Samenvatting over de technologische uitvoering van het proces.

Conclusies en aanbevelingen

1 I nle iding

2 Uitgangspunten voor het ontwerp 3 Beschrijving van het proces.

3.1 Beschrijving van de eerste stap(zie processchemal) .

3.2 De hydrogenering van succinonitril tot Butaandiamine. 3.3 LIG-separator. 3.4 Destillatiekolom C35 I NH3-afscheiding. 3.5 Destillatiekolom C43/Pyrr-afscheiding. 3.6 Destillatiekolom C48/BD-afscheiding. 3.7 Opstarten.

4 Motivering van de keuze van de apparatuur.

4.1 De keuze van de katalysator en de tankreactor in

pr-oeeB:B:t~pl ,

4.2 De keuze van de coil in de tankreactor van stapl.

4.3 De keuze van de destillatiekolommen in stapl.

4.4 De keuze van de Hydrogeneringsreactor.

Li teratuur 1 ij st

Bijlagel Destillatie.

Bijlage2 Warmteoverdrachtsapparaten. Bij lage3 Boilers.

Bijlage4 Warmtebalans:Destillatiekolom. Bijlage5 Twee fasen stroming.

Bijlage6 Fysische constanten. Bijlage7 H44 Condensor.

Bijlage8 condensor.

-- - - - ---~~~---~~~~

•

•

Bijlage9 Opslag van H.C.N.en A.N.

Bijlagel0 Bepaling van het warmteoverdragend oppervlak

• van de coil in de tankreactor R7.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

BiJlagel1 Dimensionering van de destillatiekolommen.

Bijlage12 Vloeistof Gas scheider.

bIjlage13 Bepaling van de massabalans over ce tankreactor.

bijlage14 Bepaling van de massabalans van processtap2.

Bijlage15 Ammoniak C) [) _. ~:::. 1. .::'1. C! _{. ..} 1I

BiJlage16 Opschalen van de tank- en de buisreactor.

Bijlage17 Reactiemechanismen.

Bijlage18 Reboiler.

Bijlage19 Menging van een homogeen vloeistofmengsel in een tankreactor met een zesbladige Rushton turbine.

Bi 11age~u Pompen compressoren.

Bijlage21 Warmtebalans reactor theorie.

Bijlage23 Massabalanslijst

Bijlage24 Massa- en Warmtebalans !Ijsten

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Samenvatting over de technologische uitvoering van het

proces.

De productie van 1,4-butaandiamine wordt uitgevoerd door middel van een 2-stapsproces.

De eerste stap bestaat uit de additie van waterstofcyanide aan acrylonitril ,met gebruikmaking van de katalysator triethylamine,waardoor succinonitril gevormd wordt.Deze reactie vindt plaats in een geroerde tank.Het rendement van deze vorming is 99.4 mol% tov omgezet waterstofcyanide en 82.9 mol% tov omgezet acrylonitril.

Naast succinonitril worden twee zware bijproducten gevormd die door destillatie verwijderd worden.Een daaropvolgende destillatie dient om het succinonitril af te scheiden van de katalysator en het onomgezet acrylonitril,die beiden op hun beurt worden gerecirculeerd in de tankreactor.

Hierbij wordt 98.06 wt% van het aan deze twee

destillatiekolommen toegevoegde succinonitril in de produktstroom gewonnen.

De zuiverheid van de succinonitrilproductstroom is 99.91 wt%.

In de tweede stap van het proces vindt hydrogenering van succinonitril tot 1,4-butaandiamine plaats.

In de tweede stap van het proces vindt hydrogenering van succinonitril tot 1,4-butaandiamine plaats in een buisreaktor met Raney Cobalt als katalysator. Tevens bevindt zich in het reactiemengsel ammoniak welke als koelvloeistof dient.In deze reaktie worden als

bijprodukten Pyrrolidine en één zware component gevormd.Het rendement tov omgezet SN is 97% .

In de scheidingstrein na de reactor bestaande uit één LIG-separator en drie destillatiekolommen wordt het

gevormde Butaandiamine in een zuiverheid van 99.8 wt% afgeleverd.In deze scheidingstrein worden twee recycle stromen teruggevoerd naar de reaktor.

.

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

conclusies en aanbevelingen.

1.Uitgangspunten van het ontwerp van zowel de eerste als de tweede stap waren de patenten (lit6,15) .Deze patenten beschrijven allen de bereiding van succinonitril en

butaandiamine OP labschaal.Voor het opschalen van de

tweede stap is gebruik gemaakt van de gegevens van patent (lit29).

In het ontwerp hebben wij de gevormde bijprodukten die in kleine hoeveelheden in de stromen achterbleven

verwaarloosd in de berekeningen. Voor een gedetailleerder ontwerp zal de invloed van deze stoffen meegenomen moeten worden in de berekeningen.Dit houdt in dat het ontwerp

gecontroleerd moet worden met het rekenpakket Process. Temeer daar wij bij de berekeningen van het aantal trappen en de refluxverhouding van de destillatiekolommen met behulp van een shortcutmethode bij de berekeningen van de relatieve vluchtigheden hebben aangenomen dat zowel de gasfase alsmede de vloeistoffase zich ideaal gedragen.De resultaten van deze methode moeten gezien worden als een beginschatting voor een rigoreuze trap voor trap

berekening(lit5) ,die gebruikt zal moeten worden indien een realistischer ontwerp gewenst iS.In dat geval zal tevens de niet idealiteit van de gas- en vloeistoffase in

rekening moeten worden gebracht.

De destillaties (kolom CiO en C35) waarbij de zware

bijprodukten worden afgescheiden zijn energetisch

ongunstig daar het grootste gedeelte van de voeding als toppprodukt wordt afgevoerd. Voor een economischer ontwerp moet dus zeker naar alternatieven voor de afscheiding van de zware bijprodukten gezocht worden.Eveneens geldt dat bij kolom CiO direct gerecycled kan worden in plaats van bij C16.In de huidige situatie gaat de recycle stroom twee maal over de toP. (energetisch ongunstig)

Aanbevelenswaardig is om een studie te verrichten naar de meest optimale koppeling van de drie destillatiekollom-men. Verder zal praktisch onderzocht moeten worden of de

stoffen in het proces bestand zijn tegen de hoge tempera-turen.

-4-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Inleidin51(litl)

DSM werkt aan een nieuw produktieproces voor de bereiding van Stanyl nylon 4,6,een door DSM nieuw ontwikkelde

kunststof.

De nieuwe vezel heeft een goede temperatuurbestendigheid en een relatief hoog smeltpunt tov van de conventionele kunststof nylon 6,6.

Stanyl heeft ook betere elastische eigenschappen, een hogere schokbestendigheid en is chemisch inerter.

De grondstoffen voor deze nieuwe vezel zijn adipinezuur en

1,4-butaandiamine. (zie fig 1 voor de reaktievgl'n).

Dit rapport bevat een voorontwerp voor de bereiding in twee stappen van de grondstof 1,4-butaandiamine (BD) uit

acrylonitril(AN) ,waterstofcyanide (HCN) en waterstof (H2)

(zie fig 2 voor de reaktievgl'n).

Bij het ontwerp van de eerste stap van het proces dat bestaat uit de vorming van het tussenprodukt

1,4-butaandinitril (succinonitril) is

gebruik gemaakt van een door DSM zelf ontwikkelde bereidingsmethode(lit6) .

-5-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

L

--f --;c--~---

-Per jaar wordt 8219 ton butaandiamine geproduceerd.

Het aantal bedrijfsuren per jaar bedraagt 7200 (continue produktie gedurende 300 dagen).

t', r-iet: j"'; ~y" J. Ei, :Tî j, n t?:? ·3. ITl !Tt Cl n i ·::"t k

c

) 2.869*10A_{3 ton/jo} bevat 0.5% stabilisator (vb zwavelzuur(lit21»

Deze stof wordt verder in het

ontwerp verwaarloost.

bevat 0.3% polymerisat ie-Ook deze stof wordt verder

in het ontwerp verwaarloost.

--(:..\"-7 ton .. /j a tC1n./j t: tc!n./j" 1:=::';::::~. '.:i tcm/j. samenstelling: sn 55 wt% z t;\1 1. I~ 1/,.) t ~/~ n··! ;:: 39 t.·rt ~ï.

verwerking vindt plaats in een afvalverbrandings-i n =~ t. '::'l 1. 1 .:·~I. t. i e n samenstelling:zbp 98.4 wt% tId la: 6 ~.l.Jt ~/~ samenstelling:bd 83.2 wt% p'yTr 16.7 v\Ït% NI·-i::::; O.:L v·Jt.~-:.

het bd moet nog opgewerkt iAJCJf'"" cl en 11

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~-. -,.~, - - - -- - ---_._~-5.utilities: koelwater:temperatuur:20'C: 3.207*10~6 t i j .

midden druk stoom hoge druk stoom

397.9 tij

19.04 tij

mobiltherm oil:temperatuur:360'C: 2.23*10~6 tij

fysische constanten(lit 2,3,4,12,24) A.N. H.C.N. S.N. mw 53.064 27.026 80.899 ti::> 350.85 298.42 539.15 te: 540.15 456.65 747 P,= 41.89 54.18 50.06 g1/1000 0.811 0.700 0.987 mw tI::> te p,= ~1/1000 mw tI::> t,:: Pc. ~l /1000 ZW.l ZW2 NH3 107 133 17.031 636.42 688.54 239.75 885.15 911.97 405.55 35 1.10 B.D. 88.15 431.5 612.7 38.2 0.877 g/mol K K bar kg/m3 25.26 0.987 Z.B.P. 174 465 608.4 27 1. 292 molgewicht. kookpunt. 112.9 0.618 H2 2.016 20.35 33.25 12.9 o·~98 kritische temperatuur. kritische druk. vloeistofdichtheid. -7-T.E.A. 101.193 362.45 532.05. 30.8 0.734 PYRR. 71.031 359.7 569.7 55.7 0.859

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Giftigheid(lit4,21)

1.H.C.N. :Zeer giftige stof:HCN combineert zich met de enzymen die het zuurstof transport van en naar de cellen regulieren.Bij hoge concentraties van deze stof in het lichaam heeft dit de dood tot gevolg.

mac waarde :10 ppm

vergiftiging door middel van absorbtie door de huid treedt al na 3 minuten OP ondanks dragen van

gasmasker bij een samenstelling van 3% in

lucht.In geval van een samenstelling van 1% en 0.05% treedt vergiftiging op na respectievelijk 10 en 30 minuten.

1 mg/(kg lichaamsgewicht) is fataal.

2.A.N. :Deze stof veroorzaakt niet zoals H.C.N. chronische vergiftiging

mac waarde: 15-20 ppm

stof absorbeert door de huid

L~c> waarde 450mg/kg

3.S.N. :Deze stof kan bij opname in het lichaam HCN afsplitsen

4.B.D. :Tamelijk ongevaarlijke stof;opname door de huid leidt niet tot chronische vergiftiging

5.H2 :is een ongevaarlijke stof maar kan zuurstof verdringing veroorzaken.

6.NH3 :is een stof die hevige irritatie kan veroorzaken.

Explosie grenzen H.C.N. :5.5 A.N. :3 T.E.A.: 1 40 vol% 45 vol% 8 vol% Detonatie grenzen H2 in air -(18-59) vol% 02 -(15-90) vol% H.C.N. :onstekingstemperatuur:535°C.

Gezien deze giftigheden moet naast het dragen van een veiligheidshelm en veiligheidsschoenen op het

fabrieksterrein altijd gewerkt worden met een

gasmasker,rubber handschoenen en veiligheidskleding.

Ontvlamtemperatuur grenzen NH3

20 ppm voor Ot eerst waarneembare geur

-8-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

40 ppm 100 ppm 400 ppm

lichte oog irritatie

irritatie van de ogen na een paar minuten blootStelling.

hevige irritatie van de keel en ademhalingswegen.

_ Beschrijving van het proces.

De produktie van 1,4-butaandiamine wordt uitgevoerd door middel van een tweestapsproces.

In de eerste stap wordt het tussenprodukt succinonitril gevormd,dat in de tweede stap wordt gehydrogeneerd tot 1,4-butaandiamine.

J./.

Beschrijving van de eerste stap(zie pfd 1).

In dit proces wordt succinonitril geproduceerd uit waterstofcyanide en acrylonitril onder invloed van de

homogene katalysator triethylamine.

Deze omzetting vindt plaats in een geroerde tankreactor R7 waarin ten behoeve van de reactiewarmteafvoer (de reactie

is exothermAHv=-33.46kj/mol) een coil is geplaatst.Het waterstofcyanide wordt hierbij door de overmaat aan acrylonitril volledig omgezet.

Het verkregen reactiemengsel(4) ,dat naast succinonitril ook nog triethylamine,onomgezet acrylonitril en twee zware bijprodukten bevat,wordt gescheiden in twee daarop

volgende destillatiekolommen:

) In de warmtewisselaar H9 wordt de voeding van de eerste destillatiekolom Cl0 op kookpunt gebracht. In de kolom Cl0 wordt atmosferische destll l~e- toegepast,waarin met de bodemstroom de zware bijproducten worden afgevoerd. In de top vindt in de condensor Hl1 .volledige condensatie

plaats.De topstroom(10) van kolom Cl0,dat zich op kookpunt bevindt dient als voeding voor kolom C16.

Ook bij deze kolom wordt· atmosferische destillatie toegepast,met in de condensor weer volledige

condensatie.In deze kolom vindt de scheiding tussen het tussenprodukt butaandinitrilCals bodemstroom) en de rest van het mengsel (als topstroom) plaats.Dit mengsel(15) bestaat uit acrylonitril,triethylamine en succcinonitril dat wordt teruggevoerd naar de tankreactor R7.De

bodemstroom(13) dat een temperatuur heeft van 266·C wordt door de warmtewisselaar H9 geleid.Met de koeler H22'wordt de temperatuur van deze stroom met het oog op de tweede stap teruggebracht naar SO·C.

In de eerste stap van het proces wordt meer succinonitril geproduceerd dan hetgeen voor de tweede stap direct nodig iS.Hierdoor wordt voorkomen dat in geval van een shutdown van het eerste proces de productie van butaandiamine

stagneert.Deze overproduktie wordt afgevoerd naar een

-9-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~---_._.~--- ----opslagtank.

Alvorens over te gaan tot een algehele beschrijving van de tweede stap is het nodig om stil te blijven staan bij de factoren die bepalend zijn voor de structuur van deze stap.We zullen achtereenvolgens de katalysator in de reactor en de oplosbaarheden in het reactormengsel

bespreken.

De katalysator en Kinetiek

Bij deze reactie wordt gebruik gemaakt van een

Raney,Co bestaande uit 30% Co; 66.5% AL en 3.5% Mn.Dit is een niet gedragen metaal katalysator waarvan het

metaaloppervlak een hele hoge katalytische activiteit vertoont. (Er treedt sterke chemisorptie op van H2) .In tegenstelling tot andere niet gedragen metaal katalysato-ren is het oppervlak zeer groot [80-100(m2/g)].

Ten aanzien van de kinetiek van de hydrogenering hebben we niets in de literatuur kunnen vinden.

Oplosbaarheden

Uit meetgegevens blijkt dat H2-gas niet goed oplost in NH3-vloeistof.Dit is een overkomelijk probleem omdat H2 sterk gechemisorbeerd wordt op de Raney-kat.Uit deze gegevens volgt ook dat de uitgangsstroom van de reactor uit een LIG-mengsel bestaat, bestaande uit Vloeibaar Pyrrolidone;Zwaarbijproduct;Butaandiamine en Ammoniak en heel weinig vloeibaar R" en een gasmengsel van H2 en Nfb:.

De hYdrogenering van succinonitril tot Butaandiamine. Reactor

In processchema 2 is te zien dat er een stroom de reactor ingevoerd wordt bestaande uit respectievelijk Ammoniak,Waterstof en Butaandinitril.Deze stroom is afkomstig van een recycle stroom en een

verver-singsstroom.De recycle stroom (28) bestaat uit ammoniak en waterstof.

De verversingsstroom is opgebouwd uit drie andere stromen n.l. de waterstof voeding (22) een tweede recyclestroom (35) en succinonitril voeding(20) .De recyclestroom bestaat grotendeels uit ammoniak.

(..

Ammoniak wordt via opslagtank (T24) op hoge druk gebracht met pomp (P25) .Deze NH3 wordt opgemengd met de recycle stroom afkomstig van p39 in opvang vat

(V26){alleen bij opstarten wordt ammoniak toegevoerd}.Aan

-10-•

•

•

I

•

•

•

•

•

I I

~

•

r

.

-de stroom uit V26 wordt waterstof toegevoegd via

op::,1 ëi,gtëln k 127. Cim d(~ i ni;)ëi,2i,ncj(~ t-t:>ë't,ctorstroom te camp 1 etel~en

is nog SN in de Ammoniák stroom gebracht. Deze SN-stroom is eerst op hoge druk gebracht. Deze stroom wordt naar de reactor R29 geleid,waarin de reactie plaatsvind tot

,,:_i~: "!"'~'''') ,,_:,i ~i'-_" "~'~".! !~_~i

!':',:=".

!~",,! ~j iJ r 0 d u c t e n F' '/ t- i'-' Cl 1 :i d j n t2 • De ~- - ~ !"ir:::;:-::~S:I() i<j ./!TfCjl )

Het mengsel wat de reactClr instroomt is een 2 fasen mengsel GIL. Doordat de reactie die plaatsvindt in de reactor exotherm is wordt intern gekoeld dOClr verdamping van NH3 .Dit om de temperatuur op 80 0C te houden,daar er

anders teveel neven reacties kunnen plaatsvinden waardClClr er teveel bijprClducten worden gevormd. In ons geval worden er 2 bijproducten gevormd n.l.Pyrrolidine en een zwaar bijproduct.De reactor bestaat uit 4951 buizen gevuld met een Raney Co katalysator ter verhoging van de

reactiesnelheid.De verhouding waarin het BD,Pyrr en zwaar bijproduct zijn gevormd heeft plaatsgevonden in

resoectievelijk 97:2:1.De strClom uit de reactor bestaat uit een LIG mengsel met hoofdzakelijk H2 en NH3 in de

Ç~s-f2se bij een druk van circa 78.5 atm.

3·3.L/S-separator

7

Deze LIG stroClm wordt in LIG-separator (LIG 30) gescheiden in een L- en een G- stroom.De G-stroClm wordt

nadat het weer op druk gebracht is,met compressor K31 en

t~.i e!~ c:iJ-!=Len S;.E·21·-=-.d i fl C onc! E'n s·et- !-!~;2 t. PI'-u.g ,:;]e\/c'f2f'-d n 2.·:3.'''- ei e

reactor.De L-stroom wordt op lagere druk gebracht door ontspanning over een klep. Alvorens de stroom in te voeren in destillatiekolom T34 wordt de temperatuur verhoogd In voorverwarmer H3l .

~ '/

3

~ Destiliatiekolom C35 I NH3 -afscheiding

In deze destillatiekolom is de druk 40 atm en de bodem en top temperatuur respectievelijk 260- en 80 0C.ln deze

kolom vindt de afscheiding plaats van het resterende

ammoniak in de L-fase.Via de top wordt NH3 afgescheiden en

teruggevoerd naar de reactor nadat het weer op druk is gebracht met pomp P39.De bodemstroom wordt doorgevoerd

naar de volgende destillatiekolom C43 nadat de druk

verlaagd van 40 atm naar 1 atm met klep V41 en de temperatuur is verlaagd met W.W H42.

Dsstillatiekolom C43/Pyrr-afscheiding

De afscheiding van Pyrr vindt via de top plaats in deze kolom bij een druk van 1 atm. De top- en bodem

t. i·:::'cnp f2i"-E:i. t.u.!...!.!'" :'::l j ri I· .. · E·~I~:;P(~:·c t j, E'\/E':I. :i. j k ~ E?n :l é; 1 {:. [: a I)E~

Bodemstroom bestaat uit het hoofdproduct BD en het zware bijproduct,welke in de laatste destillatiekolom C48 wordt

-;':3. of (.:,i C::':' ::. c: h f::1 :i. dE':' n u

-'- :l. :l.-'

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

L

3

l

Destillatiekolom C48/BD-afscheiding

In deze kolom wordt BD in een haast zuivere vorm gewonnen.De druk in deze kolom is 1 atm .De top-bodem temperatuur zijn respectievelijk 50 en 190 ·C .

..I Opstarten

De volgende handelingen moet bij opstarten in acht genomen worden temeer daar dit een fabriek betreft die levensgevaarlijk is.Het hele systeem zal eerst met stikstof doorgeblazen moeten worden om de lucht te

verdrijven.Daarna kunnen allereerst de koelers aangedreven

worden waarna de reboilers opgesta t kunnen worden.Daarna

kan begonnen worden met voeding door het systeem te pompen(alleen acrylonitril en triethylamine) .

De eerste destillatie kolom Cl0 zal nadat het een

tijd op totale reflux gedraaid heeft langzaam aan een topstroom als product moeten afleveren om C16 te

starten.De bodemstroom uit C16 zal in eerste instantie alleen acrylonitril bevatten.Deze moet gerecirculeerd worden naar het begin van de plant.

Indien alle pompen ,warmtewisselaars ,reboilers en koelers stationair draaien kan de reactor op konditie gebracht worden.Nadat deze op konditie is kan begonnen worden met het toevoeren van ondermaat HCN.Daarna moeten de destillatie kolommen bijgeregeld worden. Voor de tweede stap gelden overeenkomstige voorwaarden .

/j

Motivering van de keuze van de apparatuur.

1.

1.De keuze van de katalysator en de tankreactor in

processtapl .

Volgens lit6 is het mogelijk succinonitril te bereiden uit acrylonitril en waterstofcyanide door gebruik te maken van de alkalische katalysator triethylamine.De reactie vindt hierbij plaats in de vloeistoffase met de katalysator homogeen verdeeld in de oplossing.Het gebruik van triethylamine heeft de voorkeur boven andere in de

literatuur vermelde katalysatoren die bij deze bereiding kunnen worden toegepast.

Deze zij n:

a.lit7:Alkalimetaal,aardalkalimetaalhydroxyden,

alkalimetaal cyaniden,alkalimetaalcarbonaten, andere alkalimetalen van zwakke zuren alsmede

-12-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

organische basen. b.lit8:Tertiaire alkalimetaalfosfaten.alkalimetaal-pyrofosfaten.

c.lit9:secundaire en tertiaire n .quaternaire ammoniumhydroxyden.natrium-of kaliumhydroxide. Deze katalysatoren moeten gebruikt worden met

toevoeging van dimethylformamide of

dimethylacetamide.die een moleculair complex vormen met het waterstofcyanide.

Het bezwaar van toepassing van de in a genoemde katalysatoren is de onvoldoende zuiverheid van het verkregen produkt en de moeilijke opwerking van het reactiemengsel op technische schaal(lit8).

Het nadeel van de in b genoemde katalysatoren is dat deze na afloop van de reactie door een tamelijk kostbare

bewerking .nl filtratie moeten worden afgescheiden waarna

zij voor hergebruik eerst op gecompliceerde wijze moeten worden geactiveerd.

De toepassing van de in c genoemde katalysatoren brengt extra kosten met zich mee door de toevoeging van de

amiden.Bovendien heeft deze toevoeging een nadelig effect op de zuiverheid van het eindprodukt(lit6).

In lit(10) wordt een methode beschreven waarbij de reactie van waterstofcyanide met acrylonitril en triethylamine als katalysator uitgevoerd word~Jeen temperatuur tussen 90 en

100 °C.Vanwege de vluchtigheid der reactanten dient men bij dergelijke temperaturen verhoogde druk of

atmosferische druk en terugvloeikoeling toe te passen.Het werken onder verhoogde druk vereist echter kostbare

veiligheidsmaatregelen gezien de giftigheid der reactanten terwijl bij toepassing van terugvloeikoeling er bij die temperaturen een grote verdamping en terugvloeikoeling van waterstofcyanide optreedt. hetgeen de polymerisatie van deze verbinding bevordert(lit6).

Volgens lit6 kan succinonitril met triethylamine worden bereid zonder de bezwaren van de hiervoor genoemde

werkwijze. Hierbij moet:

1. triethylamine worden toegepast in een hoeveelheid van 4-15 gew% tov het totale reactiemengsel.

2.Per mol waterstofcyanide 1.05-2.5 mol acrylonitril worden toegepast.

3.De temperatuur van het reactiemengsel zich in het interval van 60 tot 70°C bevinden.

Bij het uitvoeren van deze omzetting in een continu proces.waarbij gebruik gemaakt wordt van een geroerde

-13-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

tankreactor met een werkzame inhoud van 1.75 liter (vb4 van lit6) is het mogelijk een rendement te verkrijgen van 99.4% tov waterstofcyanide en 99.1% tov acrylonitril. ad1.De hoeveelheid trietylamine is hierbij 0.81% tov het

totale reactiemengsel.

ad2.Per mol waterstofcyanide wordt 1.2 mol acrylonitril toegepast.

ad3.De temperatuur van het reactiemedium is 70·C.

Door opschaling van deze tank met als opschaalcriterium de constante verblijf tijd is het mogelijk dezelfde conversie

te bereikenCzie bijlage 16) .Het reactievolume van de

6

tankreactor in het ontwerp wordt 0.968m~3 Czie bijlage 1

)

.

Door de lage viscositeit kan het reactiemengsel uitstekend

gehomogeniseerd worden door gebruikmaking van de RushtonturbineClit20) .De diameter van de roerder is

0.7m(zie bij lage10) . Ui t de reaktiemechanismen (bij lage 17)

blijkt dat er een groot aantal bijprodukten gevormd kunnen

worden. In djt ontwerp wordt slechts uitgegaan van de

vorming van deze bijlage genoemde bijprodukten zwaarl(ZW1) en zwaar2(ZW2) .

2.De keuze van de coil in de tankreactor van stapl. Volgens lit(6) moet bij de vorming van succinonitril de reactietemperatuur op 70 ·C gehouden worden.Daar deze

reactie sterk exotherm isC4Hv=-33.46kJ/mol) ,moet om aan

bovenstaande voorwaarde te voldoen de reactiewarmte worden afgevoerd.

Hierbij wordt gekozen voor interne warmteafvoer door gebruikmaking van een in de vloeistof geplaatste

coil,waardoor koelwater stroomt.Deze manier van koeling heeft door de aanwezigheid van HCN in het reactiemedium de voorkeur boven het toepassen van externe koeling,zoals beschreven wordt in Clit6) .Zie bijlage(10) voor de berekening van het overdragend oppervlak van deze coil

4,

3.De keuze van de destillatiekolommen in stapl.

Volgens het lit6 kan het verkregen reactiemengsel door gefractioneerde destillatie bij atmosferische druk worden gescheiden.Het trieethylamine en acrylonitril dat daarbij wordt afgescheiden kan vervolgens opnieuw worden

toegepast.In vb4 van lit·. wordt 96% van het aan de

destillatie toegevoerde succinonitril gewonnen. Gezien de verschillen in de kookpunten van de vijf

componentenCAN,SN,TEA,ZW1,ZW2) in de productstroom van de

tankreactorCzie Hfst

2.)

is het mogelijk in twee

destillatiestappen dit mengsel te scheiden,nl: Het verschil in kookpunt van het vluchtigste zware

bij produkt ZW1 met die van SN is 97 ·C.Hiervan wordt

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

•

gebruik gemaakt in de eerste destillatiestap. (afscheiding ZWl en ZW2) .

Het verschil in kookpurit van SN met de minst vluchtige component (TEA) in de stroom afkomstig van de eerste

destillatiestap bedraagt liefst 177"C.

Bij de tweede destillatiestap is dus de afscheiding van SN uit deze stroom goed te realiseren.Zie bijlage 1 voor de berekening van het aantal schotels en de refluxerhouding en bijlage 11 voor de dimensionering van deze schotels.

i/il.

HYDROGENERI NGSREACTOR:

De reactor,(in - en ui tstromen ZlJ n bepaa ld met

gegevens uit (~) en (29) .In deze verwijzingen wordt

beschreven dat uitgaande van SN (1) , BD ( 2) wordt

bereid door (1) te hydrogeneren bij een druk van 90 atm in een buisreactor.

Hierbij worden 100 delen van (1) en 130 delen van een Raney,Co bevattende katalysator bestaande uit Co wt 3%, Al wt 66.5%, Mn wt 3.5% in een oplossing van 600 g vloeibare Nf.6 verwarmd bij 80·C.De reactie die hierbij plaatsvindt geeft 97 % van (2).

SN BD

(1)

( 2)

Uit artikel (29) U.S.A Patent 1123530. (1967) is

bepaald dat er t.o.v de SN een zestien voudige overmaat ~

aanwezig moet zijn als we uitgaan van buizen in de reactor

met een diameter van 30 mmo

Op basis van constante verblijf tijd is schaalvergroting toegepast. De reactie vergelijking is SN (L) + 4 H (G) ---) BD CL) De standaard reactie is SN CG) + 4 HL(G) ---) BD (G)

-15-•

•

•

•

I

.

•

I

•

•

•

•

Literatuurlijst 1.Eur.Chem.News,maY21,1984,p20.

2.R.C.Reid,J.M.Prauznitz and T.K.Sherwood:The properties of liquids and gaSeS,3rd

edition,Mcgraw-hill Book company.

3.R.H.Perry and D.Green:Chemical Engineers

Handbook,6thed,Mcgraw-hill Book company, (1984). 4.Ullmann:Encyclopedie der technische Chemie, Verlag

Chemie,New-York(1974) .

5.F.J.Zuiderweg:Collegediktaat fysische

scheidingsmethoden,deel2:apparaten,T.H.Delft. 6.Werkwijze voor de bereiding van succinonitril:

Nederlandse terinzagelegging 7901626. 7.Am.Octr. 2434606.

8.Duitse Auslegeschrift 1007313. 9.Am.Octr. 2698337.

10.Duitse Auslegeschrift 2719867.

11.J.March:Advanced organic chemistry,3I'o_c::t

ed,Mcgraw-Hill Book company(1980).

12.W.J.lyman:Handbook of chemical property estimation, Mgraw-Hill Book company(1982) .

13.0.Levenspiel:Chemical reaction engineering,2~ ed. John Wiley,1972.

14.N.W.Kossen,P.G.Krouwen:Collegedïktaat schaalvergroten.T.H.Delft,1984.

15.J.P.patent 79040524.

16.J.M.Smith,E.Stammers,L.P.B.M.Janssen:Collegediktaat fysische transportverschijnselen 1,D.U.M,1984.

17.C.J.Hoogendoorn:Collegediktaat voortgezet fysische transportverschijnselen 2,D.U.M,1978.

18.A.g.Montfoort,F.A.Meijer,A van den Ham:Handleiding voor het maken van een fabrieksvoorontwerp , T.U.D

(1984) .

19.C.Hicks:Handbook of chemical engineering calculations,Mcgraw-Hill Book company(1984). 20.W.L.Mcabe,J.C.Smith,P.Harriot:Unit operations of

chemical engineering,4th ed(1983) .

21.Kirk-Othmer:Encyclopedia of Chemical Technology,3rd ed.

22.H.Stephen,T.Stephen:Solubility of inorganic and organic compounds,vol 1,Binairy systems(1963) . 23.Ullmann:Encyclopedia of industrial chemistry,lst

ed.

24.C.R.C Handbook of chemistry and physics. 25.Th.W.de Loos,H.J.van der Kooi:Collegediktaat

toegepaste thermodynamica en fasenleer,T.H.Delft. 26.A.G.Montfoort:De chemische fabriek,Deel lA: 1986,

T.U.Delft ;

27.H.M.K.Karapet'yants:Thermodynamic constants of inorganic and organic compounds.

28.D.R.Shell,E.F.W.Estrund,G.C.Sinke:The chemical thermodynamics of organic compounds.

29.Patent (1,123,530) USA (Process for the preparation

-16-~""""'--Ir'- --.--

---•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

of hexamethylene Diamine)

30.Kirkbride,C.G (1944) Pet Ref.23 (Sept) 87 (321) Process desigen procedure for multicomponent fractionators.

-17-•

•

•

•

•

•

•

I

.

I I

•

•

•

•

Bijlagel Destillatie

Voor het doorreken~n van de destillaties is gebruik

gemaakt van de Underwood-Fenske benaderingen en de Erbar-Maddox correlatie.

Fenske-Underwood benaderingen.

Met de Fenske-Underwood benaderingen kunnen Nm i n en

R n i n berekend worden.Bijvoorbeeld een met een van te voren gekozen samenstelling van de top en bodem producten.

Het minimum aantal schotels volgt uit de Fenske-Underwood. Relatieve vluchtigheid

Voor multicomponent systemen wordt de a-waarde voor de

verschillende componenten betrokken op eén van de sleutel

componenten,b.v. component j .Daar voor multicomponent systemen de a-waarde nogal kan varieren,moet in de underwood fenske vergelijking(ter schatting van het minimale aantal schotels) een gemiddelde waarde voor a worden gebruikt.Hiervoor is genomen

Gg.",rn= (at':.c,p *a.."c;:,d )'0":

Voor het berekenen van de minimum ref 1 ux verhouding Rmi , ....

kunnen de Underwood vergelijkingen worden toegepast.

ai

_*

x+ (i) L:\. 1 - q (1. 1) <X;.

-

e

ai

_*

Xci (i) Li 1 + Rm (1.2)

a..

-

e

al is de relatieve vluchtigheid ten opzichte van een der

sleutelcomponenten.

q is de thermische conditie [wij hebben bij de bereke-ningen q=l gesteld,een vloeistofvoeding op kookpunt)

Vergelijking (1.1) is opgelost met behulp van de

bisectie methode.

e

is de wortel van de stelsels vergelijkingen nauwkeurig

in 4 decimalen.De waarde van

e

moet liggen tussen de

a-waarde van de lichte sleutel component en die van de zware sleutel component.

e

wordt vervolgens ingevuld in (1.2) waaruit RIni,"

berekend wordt. Ui t de berekende Rm~. n en Nmi n waarden is

-18-'

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

lIiI'-- .~.

'.

'

m.b.v de Erbar-Maddox correlatie zie figuur (3) de praktische refluxverhouding berekend.

Berekening van de aL waarde

De berekening van de ~, -waarde is gedaan door afzonderlijk de K-waarden te berekenen.Deze K-waarden kunnen met Raoult (1.3) en de wet van Dalton (1.4) berekend worden.

(1.3)

(1.4) Uit (1.3) en (1.4) volgt (1.5)

(1.5)

P~* is berekend met een afgeleide van vergelijking (1.6)

Ln P* = A - B/(C+T*) (1.6)

Deze afgeleide vergelijking heeft de volgende vorm (1.7) P"'=EXP(h(l-l/T*» .Pc

h=T .... '" / (l-Tn'" ) LnPc:

(1.7)

(1.8)

Berekening Top- Bodem- en Voedings temperatuur:

Om de top-en voedings-en bodem temperatuur te

berekenen van de destillatie kolommen is gebruik gemaakt van de dauwpunts-en kookpunts berekening.Deze berekeningen zijn als volgt gedefinieerd.

Yi

dauwpunt 2: Xi 2: 1.0 (1. 9)

Kt.

kookpunt 2: Y:l 2: K:l

_*

X:l, 1.0 (1.10)

-19-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

In deze vergelijkingen is K~ een functie van de

temperatuur.Zie vergelijking (1.5) en (1.6).Deze

vergelijkingen zijn met· de bisectiemethode opgelost

waarbij de temperatuur op een beginwaarde wordt gesteld om

de berekening op te starten. Met behulp van (1.7) wordt p*

berekend waarna met (1.5) voor elke component K~ berekend

wordt met behulp van de voorafgestelde waarden van de molfracties van de verschillende componenten kan met (1.9) en (1.10) gecontroleerd worden of bij de gebruikte

temperatuur de eis E x~=l en E y~=l voldoet. Indien de eis

voldoet is de bijbehorende temperatuur gevonden anders moet een andere temperatuur worden gebruikt.De toelaatbare fout in de berekeningen voor het bepalen van het kookpunt

I I: ::<:i. j

1 I _{- i} i 0.01 .

-20--I

~

_I

•

•

•

•

•

e

l

_i ! I I

.

TABEL26-1 Approximate Overall Heat Transfer CoefrJCient, U·

U.e I ' ruide a. to order of ma,nitude and not .. limit. to aDy value. Coefficienta of actual equipment may he amalIer or larier than the values listed.

Condenltna

Hot Fluid Cold Fluid

Steam (pressure) ...•... Water Steam (vacuum) ... Water Saturated organic solvents

near atmospheric ... Water Saturated 0llanic solvents,

Water, brine vacuum wlth some non·cond ....

Organic solvents, atmospheric

and high non·condensable ... Water, brine Aromatic vapors, aMnospheric

with non-condensables ... Water Organic solvents, vacuum and

high non-condensables ... Water, brine Low boiJing atmospheric ... Water High boiJing hydrocarbon, vacuum Water

Heaters Steam ...••... Steam ... . Steam ... . Steam ... . Steam ... . Dowtherm ... . Dowtherm ... . Flue gas ... . Water Light oils Heavy oils Organic solvents Gases Gases Heavy oils Aromatic HC and Steam Evaporators Steam. . . .. \Vater Steam. . . .. Organic solvents Steam. . . .. Light oils Steam. . . .. Heavy oils

(vacuum) Water. . . .. Refrigerants Organic solvents. . ... ReCrigerants

Ut BTU/Hr. (Sq. Ft.) ("'.) 3~750 3()()-4l()() 1!»-200 ~120 2()- 80 5- 30 1(}- 50 80-200 1(}- 30 2~750 ~150 1(}- 80 1!»-200 5- 50 4- 40 8- 60 5- 15 350-750 lQ(}-200 80-180 25- 75 75-150 3(}-1g()

Heat Exchanllen (no chanlle of phaae) Water ... ' ... . Organic solven ts ... . Gases ... . Light Oils ... . Heavy oiJs ... . Organic solvents ... . Water ... . Organic solvents ... . Gases ... . Organic solvents ... . Heavy oils ... . Water Water, Water Water Water Li~ht oiJ ,Bnne 'Brine Brine Organic solvents Heavy oiJs 1~300 ~150 3- 50 6(}-160 1(}- 50 2()- 70 1!»-200 3()- 90 3- 50 2()- 60 8- 50

• By permission, The Pfaudler Co., R.ochester, N. Y.,

Bul-tin 949.

Genera! Evaporator Overall CodIicients, U·

1. Long-tube vertical evaporator

Natural circulation ..••...•....•...

Forced circulation .•....•...••...•. 2. Short-tube evaporatorI

Horlwntal. ...••...

Calandria (vertical, thermOllipbon) ..••...

3. Coit evaporators ... , .••...•••...•... 4. Agitated-6lm ~aporators, Newtonian liquid

1 Centipoise ... _ ... . 100 Centipoise ...•... 10,000 Centipoise ...•... Ut BTU/Hr. (Sq. Ft.) (OF.) 20Q-6()() 400-2,000 . 2()()--.4()() 150-500 2()()--.4()() 400 300 120 • From: Coates, J. and B. S. Pressburg, Chem. En,., Feb. 22, p. 139 (1960), by permission

Approximate Film Coefficients, hl or ho· .

No Chanlle of Ph.le Water .•...•... Gases ... . Organic Solvents ... . OiJs ...•... Condenslna Steam ...•... Organic solvents ... . Light Oils ... . Heavy oiJs (vacuum) ... .

Ammonia ... . Evaporation Water ... . Organic solvents ... . Ammonia ... . Ligbt oils ... . Heavy oiJs ... . Film Coeff. BTU/Hr. (Sq. Ft.) (OF.) MO-2000 3- 50 .iO-500 1(}- 120 1()()(}-3000 150- 500 2Q(}- 400 2()- 50 5O(}-1000 8O(}-2000 IQ(}- 300 2Q(}- 400 150- 300 1(}- 50

• By permission, The Pfaudler Co., Rochester, N. Y.,

Bul-tin 949. 0.45 r-~--r---"--, u 0.40 It--+--+---+----f .&: en .2 0.35 H--+--1--+---4 Cl

-,

-; -; 0.30 t - ' t - t - - 1 - - + - - - i U u Q -; : 0 li ~ 0.25 t---'k----1t---t---i CD ~

:::e.'

0 2 t---t--~~-+--_I o X .0 0.-'5 1 2 3 4 5

Dia. Shell/Baffle Pitch

Determination of equal flowareas in bundie cross-flow and baffle window-shell side performance. (Sy permission, Engineer-ing Data Book, Sect. 2., Wolverine Tube Div., Calumet & Hecla, Inc.

(1959].)

Fig: 1

>.

i

•

, ,

!

,

I

•

•

TABEL:. ~B-~

Heat Esch . . . . Tube Sbeet Layout CouDt Table

15 la I1 2t rI 12 I'

103 18& lOS •

157 117 81 57

1& 101 85 63

• I.D. of SheU (ID.)

1143 1019 881 783 1163 553 481 aGt J(J7 :U7 1007 189 765 1167

rm

4D3 423 M3 277 217 865 765 1165 58i 4GS 419 865 187 J35 183 B33 651 481 427- 361 807 :U7 205 183 133 645 477 413 ~ 303 255 215 179 139 111 103 83 73 65 17 4& 13 13 13

i'

on lYl.· i::. 13 'onl·i::. 13 'onl'O 15 1 on 1~' i::. 17 l'on 1~' 0

o

... .., ::s é - ft

r..

~ l .

a

----~~·=z==F=-==-·~-F~+_--~=-~--I~~---~---~--~~--~---_+--~ 964 846 i3-f 626 528 452 370 300 228 1116 124 H 68 32 " . on l,~.· i::. 1242 1088 1088 972 846 840 ess eos li84 622

-1126 1008 1000 882 884 778 610 532 526 464 8S8 i46 646 656 468 398 326 264 208 164 110 80 66 28 ~. on l' l::. 746 60U 560 486 408 346 280 222 172 126 H 78 48 26 " . on l ' 0 530 462 410 346 292 U4 204 162 126 82 62 52 32 16 l' on lU' i::. 460 402 348 298 248 218 172 136 106 76 66 40 26 12 l ' on 1~' 0 882 768 648 7ï2 674 566 688 586 506 466 39G 340 406 356 304 558 460 398 304 234 180 134 H 64 484 406 336 270 212 158 lOS 72 60 436 362 304 242 188 142 100 72 52 284 234 192 154 120 84 :iS 42 26 256 214 180 134 100 76 58 38 22 34 8 " " on 1~~6' b. 26 8~' on l' i::. 30 12 "" on I" 0 g. XX l~on 1~' i::. 12 XX lOon 1~' 0 ~~====·~===~===F====F====F===-F====F=====~===~====~'F==--~===F===F-==I=-==========-~-1---1172 1024 904 788 680 5i6 484 412 332 266 196 154 lOS 84 48 XX ~. on 1~1" b. 1024 912 802 692 59û 508 424 360 292 232 180 134 96 72 44 XX ~. on l ' b. ~.., 880 7i8 688 590 510 440 366 308 242 192 142 126 88 72 48 XX .~. on l' 0 c: M 638 560 486 422 368 308 258 212 176 138 104 78 f- 60 . . 24 XX 1\ on lU' b.

ft

~ 534 476 414 360 310 260 214 188 142 110 84 74 48 40 24 XX l' on ] U' 0 c: ---~---~---~--+----~---~----~---~----~----·~---~---r---r---r---~-I~ 1092 9i6 852 740 622 534 438 378 286 218 166 122 84 56 28 XX ~. on l,~.' i::. c: ~ 968 852 744 648 542 462 386 318 254 198 146 98 64 52 20 XX ~. on l' i::. ~ I 852 748 660 560 482 414 342 286 226 174 130 90 64 44 24 XX ~"on I" 0 c

584 508 444 3i6 322 266 218 li8 142 110 74 50 36 20 XX XX I' on lU' i::.

r

500 440 384 336 286 238 198 16() 122 90 66 50 32 16 XX XX l'onl~"O ... -=======;-'====F==I~='i===!===F=-=F===I======~======: ==-'"'-1106 964 844 i32 632 532 440 372. 294 230 174 116 80 XX XX XX ~. on

'H.·

i::. I 964 852 744 640 548 404 388 322 258 202 156 104 66 XX XX XX ~. on l ' b. ~., 818 224 634 536 460 394 324 266 212 158 116 78 ó4 XX XX XX ~. on I" 0 c: M 586 514 442 382 338 2i4 226 182 150 112 82 56 34 XX XX XX I' on

He

i::. rt ~ 484 430 368 318 268 226 184 154 116 88 66 44

xx xx xx xx

l'onl~·D • .. ---·~--~--~--I----Ir_---~--_+----~---~----f----+----r---r---r---r---I.~ 1058 944 826 i16 59G 510 416 358 272 206 156 110 74 xx XX XX ~. on 1'~6' i::. c::: • 940 826 720 626 518 440 366 300 238 184 134 88 56 XX XX XX ~. on 1" i::. -820 718 632 5.34 458 392 322 268 210 160 118 80 56 XX XX XX ~. on I" 0 ~ 562 488 426 356 304 252 206 168 130 100 68 42 30 XX XX XX 1 ~ on H~' b. i" 478 420 362 316 268 224 182 152 110 80 60 42 XX XX XX XX l' on 1~' 0 0:. =============.=====~=====t =====li=====!F====F=-~~====F===zF~=9====·~===F===F===F===========ra==F=-1040 902 790 682 576 484 398 332 258 198 140 94 XX XX XX XX ~. on l~~." i::. 902 798 694 S88 496 422 344 286 224 170 124 82 XX XX XX XX ~"on l' t:. ~.., 760 662 576 490 414 352 286 228 174 132 94 XX XX XX XX XX ~"on l' 0 ;..; __ 542 466 400 342 298 240 190 154 120 90 66 XX XX XX XX XX 1\ on 1~' i::. s Cl. ,~ 438 388 334 280 2.':\0 192 150 128 94 74 XX XX XX XX XX XX I" on

He

0 IC'

-1-ro-2---9-16---7-96-t-688---~5-78-t-4-90-t-~--8-~-342--'~2-M--~1-9O~--l-42--~--l-02-~--68--·~xx--+-xx--·~xx---r-~-~-.-on--l~-'-"-i::.---[~

... 71>6 692 600

""I""

350 286 226 170 122 82 52 xx xx xx W M I' A . . . . 192 692 608 512 438 3i4 306 254 194 146 106 70 48 XX XX XX ~. on I" 0 c : -540 464 404 340 290 238 190 154 118 90 58 38 24 XX XX XX 1 ~ on ·1~" i::. i" 456 396 344 300 254 206 170 142 98 70 50 34 XX XX XX XX I" on I~" 0 -..

'J7

J5r33=~/l'I211

25

F1211~ 1191~

1111~

WA

131~

lu

~F====8=1=1-=.D=.

o=f=S=b=e ... U .... (=m=.)

=--I A1lowan~ made lor Tie Rods.

/- ",-' '\:..._, ,:0'",

.,

5 7

I

V

I

I1

) I

,

! /, ;;VII 5 ~ ~~~~++4-~~~~~~W J . V §/ I/j ,. 1 1 _,

.

VOI-Wirm._ ' 2. Auf'-gl1874

!

.,

~S

.,

[- S J -; ,2 , 102 l. __

.,

i- _S J ~ 2 ::

:.

101 7 ! -S 2300

~~~

"

~~-+~~~4-~~

1

4-~~~~~r+~~-+~~-nrtl-r1î

r:::-'~

;

1 \~\ I :=

Ir~ ,~.. v

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Voor het doorrekenen van de destillaties is gebruik

gemaakt van de underwood -fenske benaderingen en de

21·-· b ë:~i'---iTi(::ld ei o;.~ C GI'-r-(-? 1 ëi.t i E .. tvfet de

+

en s· ke LirJdef·-v·.Jood

benaderingen kunnen Nm~n en Rm~n berekend worden. Met een

van tevoren gekozen samenstelling van de top- en bodem

pr-C1C!u.ktE1li ..

LJ:i. t c:ie bE:11-E'kE:'ndE'

erbar-maddox correlatie de

waarden is m.b.v. praktische reflux

dE'

··v'E~I"· h ou.c.i in g berekend. Voor het berekenen van de top- en bodem tempe-raturen en voedings temperatuur is gebruik gemaakt van de

dauw- en kookpunts procedure.

Warmte overdrachts apparaten

De warmteoverdrachts apparaten kunnen in drie

groepen onderverdeeld worden.De condensors reboilers en.

warmtewisselaars. Achtereenvolgens zal een globale

puntsgewijze berekeningsmethode voor zowel condensors en

warmte wisselaars als de reboilers gegeven worden.

Horizontale shell- en tube warmtewisselaars

1 Bepaal de massastroom ~ de condensatie temperatuur en

de condensatiewarmte van de damp en kies een

koel-rneel i LtiT! ..

Bepaal de inlaat- en uitlaattemperatuur van het

koel med i UiTl. Bereken

L

Tl n Vë:l.n de

condensot-L Verzamel stofgegevens van het koelmedium bij het

rekenkundig gemiddelde van in- en uitlaat

temperatuur. Bereken de overgedragen hoeveelheid

warmte met Q=Mw*r

bereken de massastroom van het koelwater met

rnk:::::Ci.! (CD k *ATk)

3 Kies uit tabel QB1) een globale overall

warmteoverdrachtscoefficient Kw en bereken het

geschatte Verwarmend oppervlak met

(:) C.i.

* ::::

iJ / (r::: ~.I *~·r 1. n ) L r·/j ::;:: )

4 Specificeer als uitgangspu.nt voor de dimensionering een

condensor met minimaal 2 passages aan de buiszijde aan

de hand van tabel (2B-2 ).

~ Bereken de snelheid van het koelmedium dat door de

buizen stroomt en be~eken het drukve~schil.lndien p<

Gan Ptoelaatbaar is ve~hoog dan het aantal passages

tot de P zo dicht mogelijk bij Ptoelaatbaar ligt.De

snelheid door de buizen en de warmte

overdrachtscoefficient hebben dan een optimale waarde

voor oeze warmtewisselaar.

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

6 Bereken de warmteoverdrachtscoefficient a~ voor de

stroming door de buizen voor Pr/Prw~l.Bepaal daartoe Nu

1nf.0t nCJmogl·-· B.m (2B--.3).·

7 Bereken de totale warmteoverdrachtscoefficient au met \/F2VR (;J f21 ijk in 9 (:"2 at 1.) (en (=~ ti :'2)

0:: ... :::::. }~;~5 (À :::;:~~,:2 >~ " .. ~~:(J / ( ii}KA T

*

cl u) ) ~

ei U==O::l..l (z ) _ .. ~

Bereken de totale W.O.

kj. rl~~ (~:~:1l :::;;) ,; j.;" : "·lJ. du . d:l. ---

~-!

1 1

-I

I~;. _ 1 -+·F~i ri "_: 1,. • .& - - j 1 !

, --*

i __ i 1

-I

du LnJ ~ L. 1. )

9 Bereken met de Ku uit punt 8 het benodigde verwarmend oppervlak en vergroot het met 10 a 20% vanwege in- en

uitstroom effecten.

A.Indien het verwarmend oppervlak van het bij punt 4 gekozen condensor of warmtewisselaar te klein of te groot zijn,vergroot of verklein dan de lengte en begin opnieuw bij punt 5.

B.Mocht de (L/di) verhouding te klein of te groot

worden,of valt de lengte ongunstig uit in verband met

de handelsmaten van buizen,kies dan voor een andere

bundeldiameter en/of configuratie en begin opnieuw bij punt 3;gebruik nu de berekende Kw uit punt 8 als

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~i

.i.1

age3 Boi 1 ers

Thermosiphon boilers. Zljn over het algemeen de meest

economische boilers voor destillatie [zie figuur 4J.

Vanuit een destillatiekolom stroomt vloeistof in de

reboiler.Deze stroom wordt gedeeltelijk verdampt in

verwarmde buizen.De verlaging van de dichtheid bij

hogere temperatuur veroorzaakt een stijging van een L-G mengsel.Een L-G mengsel verlaat de pijpen aan de

bovenkant met hoge snelheid.Ze worden gescheiden in een G-fase en een L-fase.De L-fase wordt aan de onderkant afgevoerd. Een methode om verticale thermosiphon boilers te ontwerpen staat aangegeven in de volgende

puntsgewijze procedure.Deze methode is een algemene correlatie van warmte overdrachts snelheden bij

verschillende gereduceerde temperaturen als functie van gemiddelde overall temperatuursverscnil.Deze methode geeft net zo betrouwbare uitkomsten als andere meer complex en tiJdrovende,schattings-ontwerpmethoden. Puntsgewijze procedure voor het ontwerpen van een

thermosiphon boiler.

ische grootheden van de verschillende

Hoofdcomponenten TbD~~~ng;M_;Te;Latente warmte;

Stoomverzadings temperatuur.

3 Bepaal uit figuur 5 de belangrijkste ontwerp

variabele:de warmteflux~H in( W ! 02 )

Bepaal uit de warmtebalans over de destillatiekolom de warmtebelasting B in je reboiler.

4 Bereken het vereiste oppervlak.

(~:=:B/'H

f\

L/:i.n"",,~~r,dic:~:] p y p {:::i. p=:::rr*[)i p ::{<Lp

, ,

I)u:i. t. w.:-~r, c:t:i. C:~ pyp

( [):i. p )

([l .... ,p)

(I_p )

Len,;)te P\/P

6 Diameter pypbundel voor Pt=1.25*D~p

Db=DL.'1O>

*

(hit. /~::: 1) (1.,/ con~3t)

7 Bepaal uit fiGuur 6 de shell- en tube bundel

c 1 E' .:~\ i-' .::!. n c (::= .:

I)fiUi c.j::::Db+·[icJ. tyh",r,\r D~~d is de shell inside diameter

8 A pyp=Nt*D~p2*U/4 Dpyp =4 (A*4/rr)

.J...

•

•

•

:L .:~, ."" 4

•

C-,_i /:;. '7 E~

•

•

•

•

•

•

;r 't

Een overall warmte-balans over de condensor is

i"<,:=:C!,:; +H1 +Hr.:I

Hi et-ui t \/01 gt

Dc=H,,-'H 1 ·· .. ·H,::l ( i )

Dc is de verdampingswarmte die vrijkomt bij de

condensatie welke afqevoerd wordt door het

k C'E']. ffled i, U.ITt la

Een balans over de hele destillatiekolom geeft:

H~+Db=Oc+Hd+Hb hieruit volgt

Clt:) ::::Cic; -j"Ha -t-!-'!b --!'-1-4:

Uit (1) is Oe bekend,dus is Db te berekenen

Uit de short-cut methode volgt Rm~n

neem als praktische reflux Rpr_ktiwch=1.5*Rm~n

L. ::::: F: p , .... c1,\ k 't:. :i. tm c: h ::~: I) \/ :::: L -j .. :D

D is bekend uit de massabalans.

Bereken de enthalpie voor de componenten die

BereKen de verdampingswarmte voor de componenten ln

ci e (J .;:) .. ~ f ë.,. ::. e

Bereken Dc uit (1)

Uit (2) is Ob te berekenen l

Om T~~~d te bepalen is gebruik i::Jt::'!:lcl,ctr:. L _ .... _ _ _ T._

kookpunts berekening gebruikt bij de destillatie.

(aangenomen is voeding op bubbleooint) achteraf

gezien geen goeDe aanname.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Als we aannemen dat het vloeistof gas mengsel door een

pyp van 3 cm diameter stroomt dan is~

de dwarsdoorsnede 7E-4 M2 ~~.~ rTl C) 3. ~~ (ne::) 3. :I. :i.q k [nc) 1 ./ h !,- .'~.' 1.71 m g_~/ ~ g_~ =.837/28.6 k çJ /'-::; kçJ./s iV_{!.':::./:::. ./'\..'} ~ V.1iq=~ m 1 i q / 9 1 i q =1.71/473=.003614 m3/s -i\) 1 j. q :-:.~5 h i 11: ... /5:.

Een schatting voor de vloeistof viscositeit geeft.

De gas viscositeit is

De Reynolds getallen In respectievelijk de

vloeistof-(ReJ 1 i Q=473*5.1*.03/9.56E-5=7.5E5

(Re)g_~=28.66*40.4*.03/1.32E-7=2.6E8

uit de Lockhart-Martinelli relatie is het nu mogelijk om een drukval per M pijp te berekenen. Hierbij is een

(e/dl-factor van 0.00015 aangenomen voor de ruwheid van

de piJp.De weerstands factoren voor de vloeistof- en de

gasfase zijn respectievelijk~

Hieruit volgt een drukval over zowel de vloeistoffase

.,:-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

r)p_ ,,·,,::Ol'-h' O!i.dl·ng i-·I\F' /'_ /' 1'=' )-- '-·'-I"c:.~ ---.'> - • ~ - \ ---. ~;. Cl ~ <,;1"""" ._ .• ..:.. ~.

x:.;~= al 2'75----:>

><== I: 525 ----- :> Qg .. w=ij.

ïïl'<::; r - ,1\ P J j r - J\ P J -" é:' -_._ •• - ..•• _. IA., J... • • •• .:::... """';;'1 r. TF'!=-7:J I.... .-.... • Ç.;'JJFa\S - -Ho .) ... _

Met de volgende relatie is bepaald of er erosie

optreedt bij deze pijpdiameter en condities~

.:s

mU1T1

2 = _{lS()()() bij deze situatie vindt erosie plaats}

~o~ 0 =77 ~ t!!n/m~ ~.'n_'l·r~ .. !,t •• •• VOOI~ ~,'e w .. p_-r. I~.p_l_l·_~ .. !r!.p_· ~.~.'~_'.~_.~d,_o v·_~.r,·

,:,',

-

....

,ffi

..

t: '- '.'-::.i' ;','_. ~ - I

Dus de pijp diameter moet vergroot worden.

Dezelfde berekening is opnieuw uitgevoerd en er volgde een waarde van 7 cm voor de diameter van de pijp eruit.

-'26-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Voor berekeningen aan de verschillende apparaten zijn stofgrootheden nodig. Deze grootheden zijn met methodes uit de literatuur geschat voorzover er geen praktische

gegevens beschikbaar waren in de literatuur.De

viscositeiten zijn met de groepsbijdrage meth6de van

Breznjader berekend.

De vloeistofdichtheden zijn berekend met methoden uit

i:'-:'(::3:I'''ro , " ;/

De berekening van de verdampingswarmte~de soortelijke

warmte van zowel gassen als vloeistoffen,de

standaartvormingsenthalpieen en de

acentriciteitsfactoren zijn met methoden uit het

collegedictaat Toegepaste thermodynamica uitgevoerd. De kritische druk en temperatuur en het kookpunt van de

zware bijprodukten zijn bepaald met de groeps bijdrage

metnode van Miller(litl).

rOl-"

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

/ I ·t ::::~:':;~~---' -1-+----_~J

L ____

-

t=lS4.4'7"' t ==:::;;:::;;[: Tl r, ::: 124. SC I ! t :::: 2:':: C: 1 -.. - - - '

Oor m.i'i\>c == 12~Î u ::,:il:

'r

m 3. n = 1 :2~ 1 a :,:; C

2) Qc=r*~mol=853.9 (kj/kg)*1.973531 (kmol/hr)~37.4S

mk=Qc/Cp!(-Tcw.~n+Tcw.~~t)

T~:./pe 2 BLtndel C)fT:t,""ek

cln '"Ei: p '::1, ss:::· (in) LCm] 8 1 0.34 1 () 2 l2 ...... -., . ./ . .::. 1. ():~:; .. -."t. L '-:; ~tI w· ... '

~J ck=O.3Sm/s lpijp als inlaat voor pyrr/B.D. is

voldoende. )

!\i !"\ ,,;, ;.... "} 1-' j' .,' r" -" ,_. d:' <=> p';::,~.:.) 1- l' r., 1

1

1-

= n 1".' ~r,

\

/

p I~ / P ·L' ~,;:,)~. C.·/-.":,;:c, ,.... ,_ ',"\ • • , ... ,,,-.:1, .a. _ _ ,_t'Jt.::,1 .1. ... _ _ _ l, ... -== ~_~~""t'II_ . _ ... _. -r_.C'.-' _ . __ ._. I

gev.':?-.J.[f 1. .... ··E\t-stopt r ë!\<:\kt .

Over naar 2 passages

z

!_~·/J.)i::::1 IS 6 (niet toereikend)

OPNIEUW starten vanaf punt 4

4) U tubes 2 passages Au *=O.4M2

z=8 Totale omtrek=.638M

c.l::"o .. /lm/s btel ck DP 0.9 mis

HE':::2 .. 2~i*E4

... :

C:'!:::-.~.'" ~I._!

L O. ::::~2

•

f:::::. O:~::024

P:I. =0. Z::;: bar- voldoet

•

(:{ i. =5()(j5 ~ '7' 1

çpyrr=O.7817 g/Cm3 =2.95*10E-4 cal/cm/siC

H2 4C 200.8 C---CH2 9H 124.3 • li\i :S7. 0

•

•

•

•

•

•

•

Jool ( 1. 'j4C) =0. :~:;:::;;:i. ':::c j=' 11) Ku =892.4 W/M2/K

Au =O.34M2 dus neem Aw=O.34M2

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~;L..il ê\.9...e 8 condensor'"

H-4f1

TB.D=50 C .

<--I

-,-~H -1-\ '1;:;:-'::J "1 ,--.

1

.

,.:..."

~==.a...Jt:.'''.y. L·

>/,j < ' -. ____ J _ .. ___

>

=27" [: Stel Tw~nd=376 K ~ 102.85 C =«102.85-27)-(102.85-33»! (Ln « 102.85-27)! (102.85-33)) =.':.72 .. 81 [: s;.tf=:tf qegE'\/ens

3) Geschatte Totale W.O. coefficient Zle

k_u=150 btu!ft2!F=855W/M2/K

Au*=726.45 KW!855*72.81=11.66 M2

4) Two Pass U-tubes

Z=aantal pljpen=78 (ril ) 1 2 ::::; ~! diëu1i inch 1 (i 1."::: -: I:':':' ·'-il:~· J . ....Jn L....J Vanwege L!D~=(2. 84/0.254) !TI

,

,

, ,

8. 1 ~I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

ck=13.3*4/995*63*rr*O.022_{=O.73 fTl./ s;._.--->\/ee 1 te}

c:iu.S

-p.3.~.S.3.g(2=.

n == 4· P Ei, ~. s;. a. 9 e. s:.

·f =0.02448 :.;:: :::7'8 p aS:.~=.2.';.i es.;

bU.i::: E'n ,,/pEts:,s.'::1.ge

l:::.

F' i ;::: () r. E: (~) .:?~ t lTf z .. / 4·= 1 '7' L=11.66/104trrtO.0254=3.05 M L/D~=3.05/0.3874=7.88 ck=13.3t4/995/19/rr/4E-4 =2.42m/s .~ ) 7) F'j'-' =~; .. ·44 R i :::.~() I; ( ) ( ) i -76 F:L . .l :::::(). ( ) ( ) i ~:7 6 .gx:~. I:):.:~~ 1 ~I~:'~ -_. t j u 7' ,._!.,::, ;:

,

kg / iT,:5 i,A,!'/ :T:~:::

-au 1=. 725* .25=14813.24 au =10067.31 W/m2k 1 a.a.g Tw=30+(10303.28>*(158.41-30)/(.02*12899.79/.0254+10303. :-.::: 9 :~:;.. 1 '7 [: T~=(93.17+158.41'/2 i (:1) 11) Au =310995.892*4.18/1074.76/72.81=10.89 \i. [1= 11 . 66 j"!2 <. --• L , /

•

I·

•

:

.

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Bij opslag van H.C.N.moet ~ekening gehouden wo~den met de volgende eigenschappen van deze stof~

L-ë.I.a.g kookpunt

- Grote giftigheid

- Neiging tot polyme~isatie met als gevolg een ste~ke

warmteontwikkeling. Deze polyme~isatie we~kt

autokatalytisch zodat er doo~ deze warmteontwikkeling kans bestaat op

Daarom moet geb~uikt worden gemaakt van een gesloten

stalen opslagtank(ivm corrosiegevaar mag geen

legeringen toegepast wo~den).

De tempe~atuu~ in deze tank mag niet hoger zijn dan

5~' [: a

Er moet minimaal 5% stabilisato~ toegevoegd wo~den(vb t-l~.2 ~:) ei 4 )

Tevens moet een eventuele warmteontwikkeling in de tank direct gedetecteerd kunnen wo~den.

In de directe omgeving van deze tank moet appa~atuu~

geplaatst zijn dat : : .-"\ :.:

r1 .. i... .. :: l'~~ r: in de lucht detectee~t(vb

Vanwege de giftigheid en het explosiegevaar dient

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

ê.j: .. ..il.ËLq§._...1.Ç~..!...f-i~..P. a lJ..D.iL..YSilD.._ h ej:~..9..r.!!l:t.§.Q.Y e I'" d I'" a q end 0 p p el'" v 1 a k

Y_<?lL. de J;...Q..~'L.g~ tan kr....~~s..c:t...9...r R?~

Voo~ het warmteoverdragend oppe~vlak geldt<lit(16»:

!···1f::·:.~t A 'r], n h s,t. ]. CJ(.:.1 Etr' i tm:L s:.c: h t E'rnp er--Et t Lt I...t 1'-\/t:::'Ir' ~·c r! i 1 CI\/EI'- cl t? tankinhoud en het koelwater,dat door de coi! stroomt. Utot is de totale warmteoverdrachtscoefficient van het

warmteafvoerproces met de coil.'Afvoer'is de

warmtestroom tgv de koeling met de coi!.

". ,

.::;:. 't-ç.i e \,/ Cl t:' t-Cl e

10.1 Berekening van 'afvoer'

Afvoer wordt bepaald uit de warmtebalans (zie bijlage 21)

over de tank~eactor van de eerste stap.

Deze luidt in geval van een stationaire toestand met de

aanname dat er enkel warm~ea~voer via de coil plaatsvindt~

-;;";1,

+ \/

Cl E-~ j'- ::::: :!. n

in:De warmtest~oom van de ingaande stromen

uit:De wa~mtestroom van het p~odukt van R7.

prod:De ~eactiewa~mte die vrijkomt bij de

vorming van succinonit~il.

Uit de warm~e- en massabalans van de eerste stap van het

uit - 48666J/s ;prod - 614000 J/s

10.2 Berekening van ~Tln:

! J. n ...

6 T1

=

Tr - Tl ; 6 TO - Tr - TO met Tr de temperatuur van

het reactiemedium,TO en Tl de temperatuur van het

koelwater dat respectievelijk de coi! in en uit stroomt Met de gegeven utility's en de temperatuur van de

tankinhoud VOlg~:

A .,-ol ·.7\· ... ·,

(,l ,.,. ... . 2() - :j()':i [: ~

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

10.3 Berekening van Utot.

1.Beschouw het warmteoverdragend oppervlak als zijnde

vlak. Deze aanname is toegestaan daar het bij deze bepaling

slechts om ~en een schatting van het oppervlak handelt.

De warmteoverdracht wordt beheerst door een totale

warmteoverdrachtsweerstand die opgebouwd is uit 5

afzonderlijke bijdragen. Deze bijdragen zijn:

1.Weerstand aan de tankinhoudzijde:Rt.

2.Weerstand aan de koelwaterzijde~Rk"

~

l

~~T~:~:~~t~~~:nd:a~a~~i~:nZ~~d~~i~:~W~e

/( ;:;>./,:.::.

Voor de totd~~ warmteoverdrachtsweerstand geldt:

KW + Rv,t + Rv,k.

Lj·t":. a t . ~. 1 ,/ F.:t o t "

Berekening van De afzonderlijke weerstanden:

en

~+ 1 I ht.Met ht de warmteoverdrachtscoefficient van

het reactiemedium bij gebruikmaking van een coil. Voor ht geldt(lit(19»: (2/~~') _{I --,} kJ jcl:t.çl .

I

11

L

i kl _i _J (1/~:) I I fI 1 I •.

I

(t) 11 i 4·) !

Li!h'

j

a.Bepaling kl;çl RI:Rw;cl van het reactiemedium.

Uit de productiestroom van de reactor blijkt dat oeze

voor 84 mol% uit succinonitril bestaat. Daarom wordt

aangenomen dat de eigenschappen van de tankinhoud

volledig bepaald worden door de eigenschappen van zuiver

succinonitril.Dus 91=0.988'3 kg/mA _3.

kl wordt geschat mbv de formule(lit<:3»:

kl::::: -J"(fnl)

r~~:;+20*

<: l-·TI'-d)

I

i --_.-

I

I

(~5+20*(1-··rbl'-ci)

I

L___ .-i Met mI (sn)=80.09 g/mol; ... (:;-~/:~;)