Continue scheiding van xylenen middels selectieve adsorptie in een gestimuleerd tegenstroom proces

'0

o

o

o

..

"

'"

• I~'

r

, .' " / , !~ !},r' , . "'. t ~. -\ .'

..

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

J ... G .•.. KawphQJ:s.t.. ... ___________ eJJ. ... 1:1 •.. .P.r.o.v.uus.t: ___ _

onderwerp:

.

.

.' \

Contl.nue __ sche.i.d..l.ng .. ll<Ul. .. xy lQ~-.Q.oot;··s al.ec.t.ieve

adsorptie .in _{...... _-_ ...... __ ...} ~en ,ges~uleerd

_--

_...

_--

_..

_-

tegenstroom proces

_{._----_}

_...

_~ ...

---..

....

--..

....

. / , "

r .

.' , .,~ ., verslagdatum : 0-3':'03~' 81 -,. Utrecht . Delft /

( ( ( ( (, ( (

c

o

o

1 -maart 1981 "Fabrieks-voorontwerp"

Continue scheiding van xylenen middels selectieve adsorptie in een gesimuleerd tegenstroom proces

J.G. Kamphorst,

Camera Obscura straat 9, Utrecht'

M. Provoost,

van Hasseltlaan 266. Delft

( ( ( ( ( (

o

o

2 -I SA-I'lliNVATT-ING

De mogelijkhed8n van het scheiden op laboratorium:::;chaalvan xyler:en met het parex proces zijn onderzocht, dit in rjet kader van een op te zetten 1]

practicDJll proef. Dit proccfi berust op selectieve adsorptie aan een Jr.ole

-culaire zeef in gesim~leerde tegenstroom van vaste stof en vloeistof.

De-ze simulatie heeft plaats door het opschtiven van de a.ansluitpunten van de externe vloeistofstr::>men. Door deze aansluitpunten wordt de adsorptie-kolom in vier secties verdeeld, elk met hun eigen functie.

Er is een model ontwikkeld dat het scheidingsproces beschrijft en hieruit

is een computerprogramma onhvikkeld, dat de benodigde kolomler~eoerekend als functie van de diverse stromingsvariabelen, de e.dsorptie evenwichten en var: de gewenste efficiency en zuiverheid van de scheiding.

Uit deze berekeningen volgt dat met een proef, die in een middag tot een stationaire toestand leidt, voor adsorbensdeeltjes van 0,2 mm bij een to-tale bedlengte van

5

meter een efficiëncy en zuiverheid van

95

%

haalbaar zijn als de stromingsvariabelen onderling goed op elkaar zijn afgestemd. Bij adsorptieevenwichtsconstanten van p-xyleen t.o.v m-xyleen en van va:1 p-xyl,:;en t.o.v. tolueen van respectievelijk 2,5 en

1,6

en bij een

bed-diameter van

1,5

cm kan dan circa. ]00 ml gemengde xylenen per uur

geschei-den worden in para xyleeL en overige componenten. De kolom is gesplitst

i1:

24

identieke kolommen, die met elkaar en met een stromen sturend

mecha-niek verbonden zijn.

Concluderend kan worden gesteld., dat deze scheiding goed kan werken, wel

zijn de prestaties erg afhankelijk van de belasting.

Alvorens de opstelling te bouwen, dient er eerst zelf een adsorbens gemaakt te worden, bijvoorbeeld door iommvi:3seling van een commercieel

verkrijg-bare lJK moleculaire zeef. Van dit adsorbens zvllen dan de adsorptie even-wichten experimenteel bepaald dienen te worden. Zijn de gevonden waarden b~~vredigend, kan kan na enig rekenwerk worden vastgesteld hoe de kolom in

secties verdeeld dient te worden en welke stromingsverhoudingen dienen te

c

3 -11 IN.~OUDSOPGA\TE I Same1watting 11 Inhoudsopgave 111 Inleiding

IV Uitgangspunten van het onhverp~

V Beschrijving van het proce~

V.l Mathematische beschdjving V3.n het proces

VI Procescondities

VI.l Bereiding van het adsor-oenEi

VII Motivering van de ~euze van de apparatuur, en de berekening hiervan

VIn Lijst van gebruikte symbolen

IX Lijst van gebruikte literatuur

Bijlage: gebruikt computerprogramma

2

3

4

7

9

13

23

26

28

36

38

l ( ( ( ( ( (

o

o

4

-III INLEIDING

De belangrijkste methode voor het scheiden van vloeistofmengsels zijn

destillatie en extractie.

Bij onderling sterk verwante isomere stoffen wordt het toepassen van d

e-ze methoden echter problematisch omdat de verschillen in relatieve vluch-tigheid respectievelijk oplosbaarheid erg klein zijn. Dit is bijvoorbeeld het geval in het stelsel p-,

0

-,

m-xyleen en ethylbenzeen. De scheiding

tussen deze stoffen heeft een aanzienlijk economisch belang omdat de di-verse xylenen en ethylbenzeen elk hun eigen toepassing hebben, zoals aan-gegeven in fig. 1. De wereldproductiecijfers liggen in de orde van mil-joenen tonnen per jaar.

- oplosmiddelen - kerosine

- meta-xyleen --->,;. isoftaalzuur ---.;.>[POlyester harsen alkyd harsen - ethylbenzeen ---~? styreen ---~)I SBR rubber

polystyreen plastics styreen-butadieen copolymeer styreen-divinylbenzeen copoly-C 8 aromaten~ - para-xyleen ---~> tereftaalzuur dimethyltereftalaat - orto-xyleen ---~> ftaalzuu=

Fig. 1 Toepassingen van CS-aromaten

meer styreen-alkyd polyesters styreen-acrylonitril plastics

l

POlyester harsen polyester vezels polyester films )[weekmake rs alkydharsen polyester harsen

Bij scheidingen · in dit stelsel zijn er drie principiëel verschillende methoden in gebruik:

1 Fractionele kristallisatie van p-xyleen; dit is een duur proces dat bij lage temperaturen dient te worden uitgevoerd.

L

5-c

[ ( ( ( (; [)

o

[)

2 Methoden waarbij van selectieve adsorptie van een component aan een moleculaire zeef gebruik wordt gemaakt

J Chemische methoden, een bekend voorbeeld is het behandelen met HF-BFJ' wat een complex vormt met m-xyleen waardoor dat laatste afgescheiden kan wordsn.

Dit ontwerp richt zich op de scheiding van xylenen door selectieve adsorp-tie. De eenvoudigste werkwijze om dit te realiseren is de gebruikelijke vloeistof-chromatografie. Hierbij wordt afwisselend voeding en hulpvloei-stof (desorbens) toegevoerd aan een met adsorbens gepakt bed. Naarmate de voedingscomponenten door het bed gaan worden zij geleidelijk in afzon-derlijke banden gescheiden, die dan afzondelijk kunnen worden opgevangen als extract en raf.finaat. Een andere werkwijze, die het adsorbens effec -tiever benut en waarbij de voeding en de hulpstof continu worden toegevoerd wordt weergegeven in fig. 2

R

F

s

E

D

Fig. 2 Continue scheiding door selectieve adsorptie

Een adsorbens beweegt zich hier in teg(mstroom met de vloeistof; door de plaatsen van de exter_{ne stromen wordt het bed in 4} zones verdeeld, met

de volgende functies: zone I adsorptie van A zone 2 desorptie van B zone J desorptie van A

l

r

(

r

o

o

6

-Het realiseren van (oen echt moving bed van adsorbens stuit op "Iele

pro-blemen; het effect van een movinc; bed kan echter gesimuleerd worden door

simultaan alle aan- en afvoel' aansluitpunten op te schuiven.

Het is de bedoeling tot een ontwerp te komen dat op laborator~umschaa.l

c

7

-I V U-ITGANGSPUNTEN VAN HET ONThlERP

De te ontwerpen opstelbng js bedoeld om gebrulkt te worden als een TJ

( _{practiCi..Lllproef. Di t lei.dt tot de ei s dat binnen ca. vier uur na opstarten}

een statior.:üre toestand bereikt moet zijn; dit hetekent dat d:; verblijf

-tijden in de opstelling niet groter dan ca. 1 uur mogen zijn. De capaci

-( _{teit is niet erg belangrijk. Het lijkt zinnig om uit te gaan van enkele}

liters vloeistof per middag, hetgeen neerkomt op een voedingsstroom van

ongeveer 5 ml/min. Het volume van de kolom is dan in de orde van een hal

-( _{ve liter.}

Van deze opstelling wordt niet geeist, dat er extreem hoge zuiverheden

mee zijn te bereiken. Het voornaamste doel is de practicanten bekend te

( _{maken met dit scheidingsproces.}

De grondstoffen, de diverse xylenen hoeven ook niet aan extreem hoge zuiver

-heidseisen te voldoen, wel is het wenselijk dat hun samenstelling.nauwkeu

-( _{rig bekend is. Als voorbeeld V~î een voeding wordt steeds uitgegaan van}

een 1:1 mengsel van p- en m-xyleen, maar de installatie zal in beginsel

geschikt zijn om p-xyleen in alle verhoudingen te scheiden uit een meng

-( _{sel van C8 aromaten.}

Het adsorbens is een ionen gewisselde lJ X mol-zeef ( 60 - 80 mesh)

Als desorbens is tolueen geschikt.

( ' _{De zuivere stoffen hebben de volgende eigenschappen:}

Tabel 1. Stofconstanten

stof dichtheid kookpunt viscositeit diffus~ecoefficient

kg/mJ °C cp 10- cm2/s

o

p-xyleen 861(20°C) lJ8,4 0,641(20°C) 2,J5(20°C) m-xyleen 864(20°C) lJ9,0 0,600(2J,6°C) 2,41(20°C) o-xyleen 880(20°C) 144,4 0,7J5(26,9°C)

o

ethylben -zeen 867(20°C) lJ6,2 tolueen 867(20°C) 110,6 0,58J(20,6°C) 2,22(20°C)

l-( ( ( ( ( ( (l

c

r

[)

-gende volumeverdeling (1):

Lege ruimte in de kristallen 19

%

leee r~~mte_tussen de kristallen 22

%

lege ruimte tussen de deeltjes 32

%

37

%

vaste gedeelte van het bed

bulk dichtheid ca. 850 kg/m3

De eenvoudige aromaten die in de installatie worden behandeld zijn niet

corrosief, zodat wat dit betreft geen bijzondere voorzorgen genpmen behoe -ven te worden geno~en.

Explosiegevaar is ernstiger te nemen: de damp val! xylenen is boven de 25 °C explosief met lucht. De exploslegrenzen zijn 1 - 7

%

;

het vlampunt ligt tussen de 23 en 35 °C. Ook de damp van tolueen is explosief met lucht,

de explosiegrenzen zijn 1,5 - 8

%

;

het vlampunt is 7 °c. Xylenen en tolu

-een zijn giftig. De mac waarde voor xylenen bedraagt 100 ppm ( 435 mg/m3) voor tolueen bedraagt de mac waarde ook 100 ppm (375 ~/m3). De reukgrens bedraagt voor zowel de xylenen als tolueen 0,2 ppm.

Bij lage concentraties treden hoofdpijn en braakneigingen op, bij hogere concentraties geraakt men eerst in een roes, \vqarop bewusteloosheid volgt, dan zijn verl~~ing van de ade~~alingsorganen en krampen mogelijk (2).

l ( ( ( ( ( (

o

()

9

-V BESC

E

RIJVING

VAN

HET PROCES

De scheiding van p- en ;u-xyleen wordt gerealiseerd door de selectieve

adsorptie aan een moleculaire zeef; deze scheiding berust niet op een "zeef" werking V8..."1 dit materiaal, maar op een verschil in affiCliteit van de te

scheiden stoffen vOor de actieve plaatsen.

Er is een vast aantal actieve plaatsen, die in de vloeist.)ffase ook steeds bezet zijn. Voor de relatieve adsorptie van twee componentE:!1 1 en 2 V3.:..rl een

vloeistof geldt bij evenwicht:

hierin zijn Xl en x2 de molfracties 1 en 2 in de vloeistoffase en Yl en

Y2 de molfracties in de geajsorbeerde fase.

Voor de scheiding tussen A en

B

,

waarbij A preferent geadsorbeerd wordt A

dient, om de scheiding bevredigend te doen werkenP

B

niet te laag te zijn,

bij voorkeur moet hij groter zijn dan 2. Ook is het gewenst, dat het

even-wicht voor de hulpvloeistof D (desorbens) ten opzichte van A en B niet

extreem ligt:

O,2<(3~'(5

Is het desorbens 2t-J:ak

(P~<O,2)

dan is hiervan veel nodig om A en B uit de geadsorbeerde fase te krijgen, wat leidt tot hoge concentraties D in de productstromen van de adsorptie eenheid. Al dit

D

moet in een volgen-de volgen-destillatiestap weer worden verwijderd, wat de kosten belangrijk kan

doen toenemen.

Een erg sterk desorbens

(f3

~

>

5) heeft de neiging meer in het extract ( de productstroom met

A,

de sterkst geadsorbeerde component) terecht te komen en zodoende deze stroom te verdunnen; bovendien zal er in de gehele kolom

veel D geadsorbeerd zijn, waardoor de capaciteit van het adsorbens voor A en B verlaagd wordt.

( ( ( ( ( (

o

- 10

-om de productstro~en door destillatie te kunnen scheiden in A respectie -velijk D, en D, wat hergebruikt kan worden.

Evenwichtsliggingen worden ook beinvloed door de keus van het desorbens. Bij de scheiding van xylenen door adsorptie komen als desorbens in aanmer-king tolueen en alle C9 aromaten.

De gebruikelijke methode om scheidingen door adsorptie uit te voeren is ontleend aan de analytische chromatografie, hierbij 'I'fordt afwisselend voe -ding en desorbens in een kolo~ met een geschikte pakking gebracht; afwis-selend kunnen dan raffinaat en extract worden opgevangen. Een variant van deze werkwijze, die gebruik maakt van verdringingschromatografie, wordt

co~erciëel toegepast door Asahi Chemical Industry

(

3

).

Het alternatief voor deze chromatografie is een werkwijze waarbij conti -nu voeding en desorbens aan een gepakt bed wordt toege"t"oerd en extract en raffinaat continu worden afgetapt. Door telkens de aansluitpunten van de diverse stromen op te schuiven realiseert men een situatie die volkomen vergelijkbaar is met het geval waarbij de vaste stof zich in tegenstroom

met de vloeistof beweegt, men simuleert zo dus een bewegend bed. De verde -re beschrijving van het proces zal van dit beeld gebruik maken. Deze werk -wijze is gevonden door UOP, die er de naam Sorbex proces aaD gegeven heb-ben, wordt het toegepast op de scheiding van de xyle-nen dan spreekt men van het parex proces (~, 5, 6,7,8,9).

Fig.

3

geeft een bee~d van wat er in dit "simulated moving bed" gebeurt.

Raf finate, B + 0

..

Feed,A+B

..

Extract, A+D

..

Desarbent ,0 Solids Portiol Desor pti on

Of

Dl

rl-=r

I Adsorption

Of A

!

+----f

t

Desorption

TI

Of

B

~

_Desorption

Of

t

A

Liquid

o

CompositIOn , % 100 -~1 -i

I

I Bed Posit ion

( ( ( ( ( ( (

o

o

(î - 11

-Door de vier in- en uitvoerstromen: voeding, desorbens, raffinaat en ex

-tract, wordt het bed in vier secties verdeeld die elk hun eigen functie hebben.

Sectie I: tussen het toevoerpunt van de voeding en de aftap van het raffi-naat.

Deze sectie dient om A zo volledig mogelijk te adsorberen uit

de vloeistofstroom. De uitgaande vloeistofstroom, dus ook het

raffinaat zal dan bestaan uit D en B, en zal hoegenaamd geen

A meer 'Jevatten. Het adsorbens, dat sectie I binnenkomt bevat D en B, naarmate het naar beneden stroom~ wordt A uit de vloei

-stoffase geadsorbeerd en worden B en D gedesorbeerd.

Sectie 11: tussen het toevoerpunt van de voeding en de aftap van het

ex-tract.

In deze sectie wordt B gedesorbeerd. Het adsorbens dat deze

sectie uitstroomt, bevat voornamelijk A en B. De vloeistof die

aan de onderzijde sectie 11 binnenstroomt bevat vrijwel uitslui-tend A en D. Naarmate het adsorbens naar ber..8den stroomt wordt

B gedesorbeerd en worden A en D meer geadsorbeerd. Omdat A

preferenter wordt geadsorbeerd dan B kan vrijwel alle B ge

de-sorbeerd worden zonder dat A in belangrijke mate wordt ge

desor-beerde

Sectie 111: tussen het extractafvoerpunt en de desorbenstoevoer.

In deze sectie wordt A gedesorbeerd. Het adsorbens dat sectie 111 binnenkomt bevat A en

D.

De instromende vloeistof is vrij-wel zuiver desorbens. Naarmate het adsorbens naar beneden stroomt wordt A gedesorbeerd door

D.

Sectie IV: tussen de desorbenstoevoer en het raffinaataftappunt.

Deze sectie heeft tot doel de benodigde circulatie van het de~

sorbens te beperken en tevens B te adsorberen. Het adsorbens dat sectie IV binnenkomt bevat vrijwel uitsluitend D. De

instro-I~

( ( ( ( ( (

o

o

o

12

-mende vloeistof heeft de samenstelling van het raffinaat en

bevat dus B en D. Naarmate het adsorbcns naar beneden stroomt

wordt B uit de vloeistof geadsorbeerd en wordt er enig D gede

-sorbeerd.

Een typisch profiel van de vloeistofsamenstelling in het bed is in fig.

3

te zien.

Volgens Broughton e.a. (S) is de hoeveelheid adsorbens die bij een chro

-matogcafische werkwijze nodig is ca. 25 x zo groot dan bij de hier beschre

-ven continue wekwijze. Dit kan worden verklaard doordat hierbij op ieder

c

-

13 -{ ( ( ( ( (

o

o

V.l HATHEMATISCHE BESCHRIJVING VAN HET PROCES

Voor d.e berekening v:m de kolomlGngte di.e nodig ie; om een bepaalde schei

-ding te realiseren speelt een groot aantal factoren een rol. De volgende

opsomming kan gege';-en worden: voedingsstroom en samenstelling,

desorbens-stroom, extract- on raff~n~at5troom, adsorptie evenwichten, de vloeistof -tromen in de vier secties, kinetiek van de adsorptie. Niet al deze

facto-ren zijn onafhankelijk. De volgende lijkst van onderling onafhankelijke

variabelen kan worden opgesteld:

.

---...

'

---l~

xA,F molfractie van A in de voeding

F voedingsstroomsnelheid (..iuperficieel) m/s

SOF stroom van geadsorbeerde stof/voedingsstroom

ROF hoeveelheid D in sxtr,.:.ct/voeding35troom

GOF vloeistofstroom in sectie II/voedingsstroom

DOF desorbensstroom/voedingsstroom

evenwichtsconstante voor adsorptie van

A

en

B

,

evenwichtsconstante voor adsorptie van

B

en D,

=

YAjYB

xA xB

=

YV/YB

xD ~

zuiverheid hoeveelheid A in het extract/hoeveelheid (

A

+

B

)

in het

ex-(PUR)

tract

efficiëncy hoeveelheid A in het extract/hoeveelheid A in de voeding

(EFF)

Uit deze gegevens zijn al de vloeistofstromen af te leiden:

De vloeistofstroom in sectie 11 is VII

=

COF x F

De vloeistofstroom in sectie I is VI

=

F

+

VII

De extractstroom bestaat uit A,

B

en

D,

hiervoor geldt:

1 - PUR

EXT = xiii' x F x EFF

+ - - -

x xAF x F x EFF

+

ROF x F PUR

hoeveelheid A hoeveelheid B hoeveelheid D

= ( xAF ie EFF /PUR

+

ROF) x F

De vloeistofstroom in sectie 111 is VIII

=

VII

+

EXT

De vloeistofstroom in sectie IV is V_IV

=

VIII - DOF

De raffinaatstroorn is RAFF

=

VI - _VIV

( 1) ( 2) ( 3)

( 4)

( 5) ( 6)

c

( ( ( ( (

c

(

o

-

14

-Ook volgt hieruit de samenstelling van extract en raffinaat

molfractie A in het extract:

:xAE = xAF x F x EFF

EXT

molfractie B in het extract:

xBE

1 -_PUR PUR x :xAE

molfractie A in het raffinaat:

xAR xAF x F x. ( 1 EFF )

RAFF

molfractie B in het raffinaat:

xBR

=

(

1

-

yAF

)

x

F

-

xBE

y

EXT

RAFF

Met bovenstaande gegevens kan bij een gegeven temperatuur de ~~e van ( 7)

( 8)

( 9)

(10)

elk van de vier secties worden berekend. De omgekeerde berekening, bij

ge-geven lengte van de secties en gegeven stromen en efficiency en zuiverheid

is zeer lastig en behoort niet tot de doelstelling van d.it ontwerp.

De berekening van de lengtes van de secties gaat via het berekenen van een aantal theoretische evenwichtstrappen, die de zelfde betekenis hebben als ,~ bijvoorbeeld bij een destillatie. De berekening van het aantal evenwich

ts-(-!.&

( trappen is eenvoudiger in de secties 111 en IV dan in de secties I en 11. In de eerstgenoemde secties heeft men in feite een vloeistof die slechts uit twee componenten bestaat, zodat het aantal theoretische tra~pen gra-fisch kan worden bepaald. In de secties 1- en 11 moeten echter alle drie componenten meegenomen worden, zodat alleen "van schotel tot schotel" be-rekeningen mogelijk zijn.

Sectie 111: Desorptie van A

Voor de berekening van sectie 111 speelt B geen belangrijke rol, omdat de

concentratie van B er erg laag 1s, voor de eenvoud wordt deze gelijk aan nul gesteld. Over een deel van sectie 111 is de volgende massabalans op

( ( ( ( ( ( (

o

o

-

15

-T_

.

_L

11 VIII x xAO + S x yA n _{= VIII x xAn+l + S x yAO}

n+l yAn = VIII S (xAn

+

l -

xAO

)

+

yAO (11)

S

Hierin zijn xAO en yAO de concentraties van

A

aan de onderkant van sectie

111. Vergelijking (11) geeft de werklijn voor sectie 111.

Uit de evenwichtrelaties

(12)

omdat er geen

B

aanwezig is geldt

(13)

Hieruit volgt voor de evenwichtslijn

(14)

Wil A gedesorbeerd worden dan moet de werklijn

(11)

boven de evenwichts-lijn (14) liggen; voor de concentraties aan de onderkant van sectie 111

volgt hieruit /

(3ê

x xAO yAO> : -1

+

xA

O

(~t

- 1)

\

₍₁₅₎

( Ook moet de nelling van de werklijn groter zijn dan de helling van de eVen-wichtslijn • In de buurt van de oorsprong is de helling van de

evenwichts-A

lijn het grootst en bijna gelijk aanP

D; hieruit volgt A

(

_-

₁₆

-xAO en yAO kunnen niet gelijk zijn aan nul, om dat te bereiken zou een

on-eindig aantal evenwichtstrappen nodig zijn. Om iets over deze

concentra-( ties te kunnen zeggen moet het gedrag van A in sectie IV worden besproken. Voor de concentl'aties van A aan de top van sectie IV geldt:

xA _ V

nn

yAtop

=

~TA() "n top - V x xAO

IV (17)

(

A hoort niet in sectie IV, toch zal deze stof in zekere mate hier in komen.

A

kan in beginsel uit sectie I met de vloeistof worden meegevoerd, of uit sectie 111 met de vaste stof. Geredeneerd vanuit een instationaire toestand (

betekent dit dat aanvankelijk in sectie IV men wat

A

betreft aan weerszij

-den van de werklijn zit. Dit moet uitlopen op een pinch situatie, zoals aangegeven in fig.

5

( evenwichtslijn ( _werklijn ( , -,:A top xAR ) fig.

5

De w';fklijn voor A in sectie IV heeft de helling VIV/S en gaat door de pun-(

t _{en .} xA _{top'y top} A en xAR,yAR. De moeiliJ'kheid hier is dat van al deze eon-centraties alleen xAR bekend is. Door echter één aanname te doen liggen

alle concentraties vast. De aanname die hier gedaan is, is:

Cî

xAtop

=

a x xAR (18)

waarbij voor a een getal ~ 1 wordt genomen.

Hieruit volgt

o

yAtop =

(3

~

x xAtop

(19)

( 20) (',

r

L

(

(

Ook volgt hieruit:

. ~11

yIT. = yAO

+ - -

(xAE - xAO) S

Sectie IV: Desorptie van.~D

-

17

-Bij de berekening van de scheiding in sectie IV wordt er vanuit gegaan,

dat alleen B en D een rol spelen. Voor de massabalans is te schrijven:

V

n <IV( n-l )

yB =

-S-

xB - _xBtop

+

yB

top Voor de evenwichtsrelatie geldt:

Hieruit volgt voor de evenwichtslijn:

( 21)

(22)

(23)

(24)

Wil B geadsorbeerd worden dan moet de werklijn (22) onder de evenwichtslijn

(24) liggen. Dit leidt tot de volgende eisen:

yBtop

<

(25)

en voor de helling van werklijn en evenwichtslijn:

(26)

Voor het gedrag van B in sectie 111 geldt een analoge redenering als voor

~ A in sectie IV.

met: xE = b x xBE

bodem

. . D

volgt: yBbodem

=

_yBtop

=

xBbodem/rB

_

.

'ZIIi:

xEtop

=

xBbodem x

v--IV V . . yBE = yB.

+

(1 - b)..l..l! x xEE :Lop S

Hiermee is het aantal evenwichtstrappen in sectie IV te bepalen.

(27)

(28)

(29)

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

- 18

-Ook volgt hieruit:

UI)

Voor de secties I en 11 kan trapsgewijs van de extract- en raffinaat-samen-stelling worden uit gerkend tot de voedingssamenstelling bereikt is.

Sectie I : Adsorptj.e van A

Van de bovenste trap van sectie I is zowel de uitgaande vloeistofstroom

( het raffinaat) als de inkomende geadsorbeerde stroom bekend ( door de

aanname

(18».

De uitgaande geadsorbeerde stroom is te berekenen uit het

feit, dat er evenwicht bestaat met de ingaande vloeistofstroom.

yAui t

j

;VB,,~ .L.

A _ - ...

Ps

-

xAR xBR

D _ yDuit jYBUi t

fB

-

xDR xBR

verder kunnen e~ aantal K's worden gedefinieerd, ze dat

hier~it volgt

Uit de definitie van K volgt: yA = KA x xA

yB

=

KB x xE

yD = Kn x xD

+

1 = KA x xA

+

KB x xE + Kn( 1 - xA - xE)

Substi tutie van (3Ja) en UJb) in (34) levert:

KB

=

l/(P~

x xA

+

xB

+

f~(l

- xA - xB» (32) UJa) UJb) (34) (5)

l ( ( ( ( ( ( (

o

-

19

-De concentraties van A en B in de uitgaande geadsorbeecde stroom zijn dan:

yB

=

KB x

xB

yA

=

KA x

xA

Door het op::>tellcn van een massabalans oveF de eet'st trap is dan ook de

samenstelling van de inkomende vloeistofstroom te berekenen.

Deze berekening kan dan bij de volgende trap herhaald worden, tot de

A/B

verhoudir.g in de vloeistof gelijk wordt aan die in de voeding. In sectie

(36) (37)

I is de adsorptie van A het belangrijkste proces. Omdat de werklijn onder

de evenwichtslijn moet liggen geldt de volgende eis:

(38)

KA

heeft in sectie I geen vaste waarde, hij is echter minimaal bij de voe-dingsinlaat, omdat daar de sterkst adsorberende vloeistof aanwezig is.

Sectie 11: Desorptie B

De berekeningen zijn analoog aan die voor sectie I. Hier zijn echter de

ingaande vloeis:tofstroom en de uitgaande geadsorbeerde stroom bekend bij de extractaftap. De uitgaande vloeistofstroom volgt uit:

xA = yA/K_A

xB

=

yB/KB

~ = YD/Kn

---.-;+

1

=

yA/KA

+

yB/KB

+

(1 - yA -

yB)/KD

Hieruit volgt voor ~:

KB

=

f~

x

yA

+

yB

+

(1 -

yA -yB)

x

p~

De concentraties van A en B in de uitgaande vloeistofstroom zijn dan:

xB

=

yB/KB

xA =

yA/KA

Door het opstellen van een massabalans is dan de inkomende geadsorbeerde stroom te berekenen.

(39)

(40)

(41)

(42)

v1oei-( ( ( ( ( ( (

o

o

- 20

-stof gelijk is aan die in de voeding.

In 3cctie 11 is de desorptie van B het belangrijkste proces. De werklijn

van

B

moet dan boven de evenwichtslijn liggen. Dit leidt tot de volgende

eis:

(43)

KB is maximaal bij de voedingsinlaat, omdat daar in deze sectie de zwakst adsorberende vloeistof aanwezig is.

(44)

K_BF = l/(xAF x

f~

+ (1 -

xAF»

(45)

(46)

(47)

A D

Bij gegeven

fB

en tB leggen d,e uitdrukkingen (16), (26), (4$) en (47)

boperkingen op aan de combinaties van_de stromingsvariabelen DOF, GOF,

ROF en SOF die de door EFF en PUR aan€egeven scheiding kunnen

bewerkstel-ligen. Deze variabelen moeten dus goed op elkaar zijn afgestemd.

Uit het bovenstaande is het aan~al overdrachtstrappen te berekenen. Om

hieruit de sectielengtes te berekenen, .. wordt voor de stofoverdracht het

model gebruikt dat door Perry (12) beschrijft voor ionenwisseling.

kof

=

{1/[1/10,9(1 - E)V(

~

)°,5

1 DfPf 0,16

+

lm]

d p dpV (

1~)

V

+

l/[K9.QE.E.

+

60D (1' -E)

XJ

}-~

d2 f

re

p .. d D .::E f

Voor de menglengte

Lm

geldt:

·

lm

= pé

+

2V ,.

Voor pé geldt volgens Ghung (13)

/ . 0,48

Pe = 0,20

+

0,011 x Re

(48)

(49)

L - 21 -( ( ( ( ( ( (

o

Voor de tortuositeitsfactor geldt volgens Fun Gau Ho (14):

'r = 6(1 - ~lnX) 2/( 9 - 21nX ) (51)

Door combinatie van vergelijking (48) en de Kremser vergelijking (15) is

de hoogte van een theoretische trap te berekenen:

HEI'P = _V_ x --..!!l... z ln(m)

kofK m - 1

waarbij K = y/z van de bepalende component in de bertreffende sectie.

S x K

Voor de adsorptiefactor m geldt: m =

-V

Voor het proces is een computer programma opgesteld ( zie bijlage_).

( 52)

(53)

Berekening van de kolomlengte voor een aantal verschillende gevallen,

waar-bij de stromingsvariabelen goed op eikaar zijn afgestemd leidt tot de vol

-gende conclusies:

- De kolomlengte nodig voor een bepaalde zuiverheid en efficiëncy neemt

0,75 bijna recht evenredig toe met de grootte van de voedingsstroom (L V' F )

- Bij een gegeven voedingsstroom neemt de benodigde kolomlengte toe met

de gewenste zuiverheid en efficiëncy: als de efficiency gelijk aan de

-

0

,

3

zuiverheid wordt genomen geldt ruwweg L~(l - PUR)

Als een kolom eenmaal is gebouwd, ligt de lengte vast. Uit het voorafgaan

-de is dan te bere-deneren, dat het varieren van de voedingsstroOTIl een dras-tisch effect zal hebbeb op de te bereiken zuiverheid

F 0 ,75 v" (l _ PUR) -0

,

3

(l - PUR) V\ 1/F2

,5

Als er dus boven de normale capaciteit wordt gewerkt, dan zal de bereikte

zuiverheid beduidend minder worden, als el' beneden de normale capaciteit wordt gewerkt dan zal een aanmerkelijk hogere zuiverheid haalbaar blijken te zijn.

De conditie, die gesteld wordt, dat de verblijf tijd in de kolom niet

- 22

-( leidt ertoe dat de bereikbare zuiverheid ongeveer 0,8 is, bij een

adsor-bens deeltjesgrootte van 0,3 rtUn. Ab er echter meer L_jd wordt genomen en er dus bij een lagere voedingsstroom wordt gewerkt is er een veel beter

( resultaat te verkrijgen, om een dergelijk experiment te verrichten is

waar-02

schijnlijk een volledige wekdag nodig. Het is echter niet eenvoudig te

zeggen, hoe het tijdsafhankelijke gedrag van de kolom zal zijn. Uitsluitend ( het e:·:periment kan uitwijzen na hoeveel verblijf tijden er een stationaire

toestal-:d is bereikt. Zou dit gunstig uitv,::.~_.len dan zijn met de te ontw

er-pen kolom vrij goede scheidingen te realiseren.

( De kolom is het snelst in bedrijf te stellen vanuit een situatie waarin

deze geheel met desorbens gevuld is, d.w.z. dat hij bij het voora~gaande

down gaan de kolom via alle toevoerleidingen van desorbens voorzien moet (

zijn. Het opstarten is dan beperkt tot het juist instellen van alle

stro-men en schakeltijden.

(

(

( ( ( ( (

I

I

( (

o

o

- 23 -VI PROCES CONDITIES

Voor het bedrijven van de kolom is een goede afstemming op 'elkaar van

de stromingsvariabelen essentieel. Aan de relaties

(16), (

26

), (46)

en

(47)

moet voldaan zijn. Verdere uitwerking hiervan geeft:

VII+EXT ~ê

levert: S '( /"

(54)

Er geldt: VII

=

COF x F,

(5

5

)

Als de zuivecheid en de eïficiëncy naar 1 gaan geldt: EXT (xAF

+

ROF) x F

(5

6

)

Substitutie van

(55)

en

(56)

in

(54)

levert:

(COF

+

ROF

+

xAF) x F/S)

f.~

,

oftewel

(COF

+

ROF

+

xAF) ")

j3

~

SOF

V

rv

=

V

III - DOF

Substitutie van

(55)

en

(58)

in vergelijking

(

26

)

levert:

.

.

.

D

_-·COF

+

ROF

+

xAF - DOF .:( llrB

SOF

Combinatie van de vergelijkingen

(45)

en

(47)

levert: COF

>

1/( nA x xAF

+

(1 - xAF»

SOF

rB

Combinatie van de vergelijkingen

(44)

en

(46)

levert:

(57)

(58)

(59)

(60)

COF

+

1

<f~/(f~

x xAF

+

(1 -

xAF»

(61)

SOF

Zolang

f~

en

j3~onb

eken

à

zijn, is het niet mogelijk de diverse stro

-mingsvariabelen vast te leggen. Als deze eenmaal bekend zijn is vrij een-. ~ .. . ~

-voudig na te gaan of bij een bepaalde keuze van SOF (zinnig lijkt 1,3

à

1,5)

en DOF (begonnen kan worden met

1,4)

er waarden van COF en ROF zijn

waarbij aan al deze voorwaarden voldaan is. Zijn deze er niet, dan dient

( ( ( ( ( ( (I

o

o

-

24

-bruikbare set stromingsvariabelen op te stellcm.

Voor een rekenvoorbeeld waarbij

j3~ =

2,5 en

j3~ =

1,6 naar aanleiding

van ( 5), blijkt bij xAF COF

=

0,21 en ROF

=

0,87 optimaal bij SOF

=

1,31

en OOF == 1,44.

Bij hogere temperatuur is de stofJverdracht beter dan bij lagere

tempera-tuur: bij 100°C is daardoor voor de zelfde scheiding maar een ongeveer

half zo lange kolom nodig dan bij 20 °C. De verblijf tijden zijn dan dus

gehalveerd. Als er bij een hogere temperatuur gewerkt zou worden, dan zou

de kolom verwarmd moeten worden, dit houd in dat er dan een zekere

wacht-tijd in acht genomen moet worden alvorens men de experimenten kan doen

aanvangen.

De deeltjesgrootte van het adsorbens heeft een sterke invloed op zowel

de HETP van de kolom, als de drukval over de kolom. Kleinere deeltjes

ma-ken het mogelijk de kolom aanmerkelijk te bekorten, maar zorgen ook voor

een grotere drukval. Bij deeltjes van 45 - 60 mesh (~0,3 mm) is bij de

proces condities zoals boven beschreven en F = 1 x 10-

3

m3/m2.s een

kolom-lengte van 9,2 m nod~g om een zuiverheid en efficiëncy van 0,8 te

berei-ken. Voor

F =

0,5 x lO-3m3/m2 •s is hiervoor ongeveer 4,8 m nodig. Voor

60 - 80 mesh deeltjes (~0,2 mm) is voor F

=

1 x 10-3 m3/m2 .s een lengte

van 4,8 m nodig om een zuiverheid en efficiëncy van 0,8 te bereiken. Bij

F = 0,5 x 10-

3

m

3

/m2.s is met een kolomlengte van 4,8 m een zuiverheid

van 0,95 te bereiken, bij een efficiëncy van 0,95. Dit '.laatste geval stemt

overeen met een globaal berekende verblijf tijd van ongeveer 40 minuten.

De drukval kan worden berekend met de Ergun vergelijking (16).

. .2 . top ={150 x (1

-f)

x1 x :Y2 + 1,75 x

.

é

...

d p voor d_p == 0,2 x 10-3 m é. = 0,32

1

=

0,6 x 10-3 kg/mos v - 0,5 x 10-3 m/s L

=

5

m L (62)

- 25

-levert dit een drukval op van 0,72 atm. De aanname dat v = 0,5 x 10-

3

m

i

s

is niet geheel juist, maar de drukval over de kolom zal niet groter zijn

( dan 1 atm, waarbij dan nog de drukval over de verbindingsleidingen moet

worden opgeteld.

Het lijkt niet verstandig de opstelling te gaan bouwen alvorens is vastge

-( steld, dat er een adsorbens met bevredigende eigenschappen kan worden ge

-maakt. ( ( ( ( (

c

( ( ( ( ( (

c

o

- 26 ,

-Vl.l DE BEREIDING VAN HET ADSORBENS

De lite~'atuur ove,' het pal'ex proces, dTe voor een belangrijk deel uit

patenten bestaat, maakt niet duidelijk wat exact de samenstelling, berei -dingswijze en adsorptie-evenwichtseigenschappen 7.ijn van het adsoroens

dat hierbij gebI'uikt wordt ( 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23). Wel zijn aan

deze litel'atuur een aantal belangrijke aanwijzingen te ontlenen. Zo wordt

gemeld, dat wordt uitgegaan van type X en type Y moleculaire zeven, waar

-op ionenwisseling is toegepast. De samenstelling van de zo verkregen

ze-ven wordt dan vermeld, plus evenwichtconstanten voor p-xyleen/m-xyleen

en p-yYleen/ethylbenzeen. Evenwichtconstanten voor xylenen ten opzichte

van mogelijke desorbentia c.q. tolueen worden echter nooit gegeven, noch

de aard van de moleculaire zeef waarvan wordt uit gegaan, of de exacte

werl0.vijze bij het ionenwisselen. Wel is uit deze gegevens te zien voor

welke adsorbentia de evenwichtconstanten voor de p-xyleen/ f.l-xyleen e v.en-wichten bevredigend zijn. De ceste werkwijze lijkt te pogen dergelijke adsorcentia te maken.

Van de type X en type Y moleculaire zeven is de Linde 13 X moleculaire

zeef ruimschoots het goedkoopst (circa flOO,- per 100 g); dit lijkt dus een geschikte uitgangsstof. Uit gegevens over ionenwisseling in Breck (1) en U.S. patent 3969270 (24) is te halen, dat om een adsorbens te maken met bij benadering de eigenschappen uit U.S.P. 3558732 (20), deze 13 X molzeef de volgende behandeling moet hebben:

Eerst geruime tijd behandelen met 50 l/kg 2N KC1, vervolgens met 3 l/kg

0,05 molai BaC1₂, daarna uitstoKen op 500°C.

Een alterndtief is de Linde SK 40 zeef, die een stuk duurder is en voor zover bekend niet als 45 - 60 of 60 - 80 mesh deeltjes te koop is. Door deze te behandelen met 25 l/kg 2N KCl en vervolgens uit te stoken, wordt

een adsorbens verkregen dat lijkt op no 4 uit het Nederlands patent 7602348 (17).

evenwichtconstan-( ( ( ( ( (

o

o

o

-

27

-ten voor p-:zyleenjm-xylcen, p-xyleenjo-xyleen, p-xyleenjethylbenzeen en

p-xyleenjtolueen bepaald te worden. Als werkwijze hiervoor kan gedacht

vror-den aan puls testen, zoals beschreven door deRosset e.a.

(6).

Voor het

p-xyleenjtolueen systeem geeft dit echter problemen. Een alternatief is

een hoeveelheid AjE vloeistofmengsel met een hoeveelheid adsorbens in

e-venwicht te laten komen en vervolgens de samenstelling van de vloeistof

te bepalen. Dan geldt (11):

x _A (1 _- x _A ) A 1

Wc x bxjA

Door bij verschillende waarden van x

A dit experiment. te verrichten en de linkerzijde van vergelijking (63) grafisch uit te zetter. tegen xA vindt

men als helling Aj'.vAJ 1fr'::>,arl1l t dus vIA te

A 1 't A, b 1 '

X ....,.__ , waaru::.

PB

'Ce epa~en lS.

A _ 1

(3'0

bepalen, en wel op de volgende wijze

bep.::>Jen is. De ~fsnijrting i.s

Uit WA is ook de grootheid S te

gewicht van geadsorbeerde koolwaterstof gewicht van de hoeveelheid adsorbens

WA

xfbuJ,k,adso~ben

s

A fkoolwaterstof

Eeadsorbeerd volume

totaal bed volume

=

volumefractie actieve poriën in het bed S

=

actieve poriënstroomsnelheid

=

bèdlengte x volumefrRctie actieve poriën in het bed,

cyclustijd bedlengte

cyclustijd

=

lengte van 1 kolom schakeltijd

A

Hebben de

f

B 's bevredigende waarden, dan is het adsorbens ges:clükt en

(63)

en kan de installatie gebouwd en hiermee gevuld worden. Zijn de

evenwicht-constanten niet bevredigend, dan is verder experimenteren met

( ( ( ( ( ( I (

o

- 28

-VII MOTIVERING VAN DE KEUZE' VAN DE ArFARATUUR, Rf\! DE BEP..EKENING EIERVAN

De totale lengte van de ad30rptiekolom die nodig is, bleek. circa 5 m te

zijn. Het is niet realistisGr. deze kolom uit een stuk op te bouwen.

Ecn-voudiger is, de kolom in een groot aantal gelijke kleine kolow~en op te

delen, die door leidingen met elkaar en met een stromen sturend mecr.aniek

zijn verbonden Bij een groter aantal kolommen is er ook een groter

aan-tal é.an~.luitpunten, waardoor het tegenstroomproces beter gesimuleerd kan

worden. In de praktijk blijkt met een aantal vall 16 (22) of 24 (6, 19,

21) kolommen goed te werken.

Hjer wordt gekozen voor 24 kolommen. Om op een totale bedlengte van

cir-ca 5 meter uit te komen, dienen deze dan elk 20 cm bedlengte te bevatten.

Bj een inwendige diameter van de kolo;nmen van 1,5 cm wordt de totale bed

-inhoLd 0,85 1, wat de gewenste orde van grootte. is. Het materiaal van de

kolom~en moet niet gevoelig zijn voor tolueen en xyleen; dit maakt

plas-tics minder ideaal. Verder dient het materiaal bestand te zijn tegen een

druk van enige atmosferen; hieraan kan door vele materialen voldaan worden.

De keus valt dan op messing vanwege het feit, dat dit materiaal eenvoudig

bewerkbaar is.

Aan de eis zoals vermeld in Perry (12a):

(64)

wordt voor een druk van 10 atm en R = 1,5 cm reeds door een messing

buis-je met een wanddikte

va~~

'

voldaan. Om de buis goed te kunnen

be-werken lijkt 2 mm wanddikte wenselijker.

De door ons voorgestelde uitvoering van een kolom wordt weergegeven in

fig. 6 ( deze iside::Li..ek aan fig. 6 uit (21))

Op deze figuur ontbreken alleen de veer die de kogel 5

al~erugslagklep

doet werken en de stukjes zeef aan de uiteinden van het bed, die moeten

( ( ( ( ( (

c

(

n

o

-

29

-Fig.

6

Ad~orben~ koloIT~en.

De leiding

9

voert naar het stromen sturend mechanjek, de leidingen

3

,

en

4

verbinden de kolommen onderling. De overige cijfers worden in i1et i

oorspronkelijke patent (21) uitvoerig toegelicht-•. , De ka-Iore dient \q'ijWEl~

op schaal te worden gebou~~. Hierdoor wordt de kop van de kolom

3.3

cm

in diameter. Er is een cirkel met een diameter van 30 cm nodig um al de

kolommen met enige tussenruimte ( enige mm) te kunnen plaatsen. 11e

leng-te van de leidingen, die de kolommen metJelkaar en met stromen sturend

mechaniek verbinden is wat groter dan de totale kolomlengte, geschat kan

worden

7

m.

Om de kolom goed te doen werken dient het volume van de leidingen zo klein

(

- 30

-de leidingen echter onaanvaardbaar groot. Een keus voor leidingen met een inwendige diameter van 1 mm lijkt een redelijk compromis: het V01U1Tle van

(

een leiding is dan ongeveer 1/125 van dat van een kolom.

Bij een stroomsnelheid van 1

mm/s

door de kolorrunen is de stroomsnelheid

door de leidingen 0,125

mis,

dit levert een Reynolds getal van 180, zodat

(

de stroming nog laminair is. De drukval over de totale leidinglengte wordt

dan:

(

I(':(., 0,2 atm

Dit is een redelijk bescheiden bijdrage aan de totale drukval (over de ( kolo~men is bij een vloeistofsnelheid van 1

mn/s

de drukval 1,4 atm).

De leidingen worden dus uitgevoerd als r. v. s. capillairen van 1 ,in; inwen

-dige diameter.

( Bij het continu doorschakelen van de externe vloeistofstromen, blijkt dat de extract afvoerstroom door ee:} leiding gaat waardoor even van te voren

cie 'Ioeding doo:, stroomde. Dit leidt tot verontreiniging van het extract

( door de andere voedingscomponent. !-Iet raffl.nA.at kClLit sler:hts te stromer:

d~or leidingen waardoor eerder desorbens stroomde. Aangezien het raffinaat toch al desorbens bevat levert dit dus geen verontreiniging op. Uit het

voorafgaande blijkt dat er een oplossing moet worden ge~ocht om verontrei

-niging van het extract tegen te gaan. "Dit wordt gedaan door de

vloeistof-leidingen waar de voeding door stroomde te spoelen met een aparte

desor-o

bensstroom. Deze stroorr:. moet zo ~<:lein zijn, dat in 1 schakeltijd de gehe

-le leiding doorspoeld is. Om na te gaan of de hoeveelheid verontreiniging

opweegt. tegen de hoeveelheid afgetapt extract in 1 schakeltijd kan de

vol-o

gende controllerende berekening worden gemaakt.

Het leidingvolume bedraagt bij een leidinglengte van 40 cm en een inwen-dige diameter van 1 mm 0,31 mlo

Bij F

=

0,5 x 10-3

~/m2·s

en SOF = 1,3 wordt S = 0,65 x 10-3

mis

( ( ( ( ( ( (

o

van 20 cm: t

=

20 x 0 12

ü,o"0

-

31

-37 s

De hoeveelheid extract die wordt opgevangen in deze tijd bedraagt dan

4

,

4

ml De inhoud van de leidingen is dus niet te verwaarlozen, onder deze omstan

-digheden, ten opzichte van de opgevangen hoeveelheid extract.

De draaiende klep bestaat uit drie hoofdonderdelen, 2 vaste delen en 1 draaibaar gedeelte daar tussen in. Het bovenste deel is een vast blok

var. messing, waarin zich onderin

5

cylindervormige, concentrische gleuven

bevinden. Deze gleuven worden middels doorboringen voorzien van vloeistof

toevoer- of afvoeraansluitpunten voor de externe stromen. Deze bevinden zict op de opstaande wand en zijn ieder 72° ten opzochte van elkaar ver

-draaid. Het rriddelste deel is een cylindervormige schijf van teflon, die aan de buitenkant van een vertanding rondom is voorzien. In deze schijf

bevinden zich 5 vloeistofkanalen die bovenin de zelfde radiale positie

hebben als de

5

gleuven van het zich daar boven bevindende blok. Aan de

onderzijde komen deze kanalen allemaal op dezelfde radiale positie uit. De mate waarin ze van elkaar verdraaid zijn is nog niet vast te leggen. Door de bepaling van de ligging van de evenwichten liggen de groottes van

de versc}'eide e secties nog niet vast. De mate waarin de kanaaltjes verdraaid staan ten opz·ictte van elkaar bepaalt het aantal koloJT1lUen dat per sectie

wordt gebruikt. Wel valt te zeggen, d~t de 5~0AI3tr0om direct na de voeding

moet komen en daar dus 15° van verdraaid is. Het onderste deel is weer een vast blok van messing, hierin bevinden zich op de radiale posities van de vloeistofuitlaten van het draaibare gedeelte, om de 15° appendages waaraan via leidingen de kolommen verbonden zijn.

Om de gehele klep niet te laten lekken wordt er een beugel OVer gezet, waar via een veer druk op kan worden gezet.

Het draaibare deel wordt via een tandwiel aangedreven. Dit tandwiel bevindt

zich op aen stappenmotor, zodat de gesimuleerde tegenstroom goed is te

( ( ( (

c

( ( (

c

-

32

-4

o

o

8 5 tig 7 Q ₅ fig. 7d fig. 7b fig. 7c

In figuur 7 is dp. klep verduidelijkt.

Fig. 7a is een aanzictt van de kep. 1 is een vast messing blok, met

onder-in de vijf concentrische gleuven. Aan de aansluitpunten

4

ivorden de voeding, het desorben3, de spoelstroom, het raffinaat en de extract-aftap

aangeslo- <-( ( ( ( ( (

c

o

o

.- JJ -ten.

Onder blok 1 bevindt zich de roterende teflon schijf 2, die aangedreven

wordt door tandwiel

6,

wat dan weer wordt aa.ngedreven door stapperunotor

7

.

Onder de teflon ~chijf bevindt zich dan het messing blok J, waardoor 1ijf

kanalen lopen diE aangesloten worden op de aansluitpWlten

5

.

Op de

aansluit-pur:ten

5

worden de kolommen gevuld met adsorbens aó,ngesloten.

Klem 8 zorgt, door de druk van veer

9,

dat er geen vloeistof naar buiten

lekt.

Op tandwiel

6

kunnen nokjes worden aangebracht, die de driewegkleppen stu

-ren voor de circulatiepomp.

Fig. 7b is e8n doorsnede van blok 1 uit fig. 7a •. Fig 7c is een doorsnede

van schijf 2 uit fig. 70..

In 1 bevinden zich de vijf concentrisc~e gleuven 10.

In 2 be"/ir'.è.en zich de vijf vloeistofkanalen 11, die de externe stromen

ccntinu verbinden met de met adsorbens gevuldE; kolorrunen. Door het

draai-en van deze schijf, blijven deze kanalen 11 in het rridden steeds verbonden

met c:e externe st:~omên in de gleuven en aan de buitenkant ('[crdt er naar

een volgende kolom opgeschoven.

Fig. 7d is een dwarsdoorsnede VEn het gehele apparaat.

Om

de diverse vloeistofstremen op het gewenste niveau te regelen ~ijn er een aant,-ü pompen en flowregelaars nodig. 1)'e pompen moeten voldoende druk op kunnen bouwen en moeten goed op capaciteit te te regelen zijn in het

ge\venste bereik ( ca. JO - JOOO ml/hr). De FAH doseeq:.omp van de fa. DGL

( bestelmurl1l1.er 1110 B bij Tam~on) voldoet aan deze eisen. Hier bestaat de mogelijkteid on meerà.ere pomphuizen <lp één motor aan tEe! sluiten. Drie

porr,-pen, de voedings-, de desorbens- en de spoelpomp, "{unnen tijdens een ex-periment op een vaste capaci tei t "vorden ingesteld en kunnen op één motor wordE:n aangesloten. Er is echter ook een circulatiepomp nodig, die vast

tussen twee kolomm~n staat. Dez~ pomp moet op vier veré3chillende capaci-teiten kunnen werken, omdé',t in elk van de vier secties een andl~re vloei

-( - 3h

-stofstroom h~~rst. De eenvcudigste na-:1ier om dit te realisere-:1 is een

twee-de motor te nemen met vier pomphuizen, waarvaT": telkens slechts é~n

pOD~-hui::; vloeistof verpom~cn kan, en ltiel door al deze pompen van een byp'tss t.e voonden, die met een electrisch gestuurde driewegkraan in- er. uitgescha-keld kan worder... Zie fig. 8

( ( (

L

L

( fig. 8 (

Voor het regelen van de extract- en raffinaatstroom lijken de naaldventie-le11 van Brooks met numeric handle en een maximmn capaciteit van 26 ml/min goed geschikt (bestelnummer 8504 B, naald no

3)

.

De keu::: van de te geb:nuken pomphuizen kan beter worden uitgesteld tot aan de hand van de evenwichtsgegevens van het adsorbens geschikte

stromings-() verhoudingen zijn berekend.

Desorbens- en speolpomp betrekken desorbens uit een glazen reservoir van circa 1 liter, voeding wordt uit een dito reservoir betrokken.

o

Gezien de wens om de kolom bijdown gaan met desorbens te vullen is het

L#

ook nodig de voedingspomp een aansluiting op het desorbensreservoir te geven. Zie fig.

9.

Ook de opvangreservoirs voor het extract en raffinaat kunnen van glas zijn. Het moet echter wel mogelijk zijn om hieruit mon-sters te trekken. Monsteranaly~3e kan plaats hebben op een GLe.

-

35

-(

F

o

( ( fig. 9 ( ( (

c

o

o

( ( ( ( ( (

o

o

- 36 -VIII LIJST VAN GEBRUIKTE SYMBOLEN

A component tn de te. ~cheiden voeding, dj.e preferent wordt

geadsor-beerd

gewichbhoeveelheid adsorbens in vergelijking (63)

B component in de te scheiden voedir.g

COF vloeistGfstroom in sectie II/voedingsstroom

D

dcsorbens diffusiecoefficient DOF , desorbensstroom/voedingsstroom d P deeltjesdiameter m EFF efficiency E,EXT extractstroom m/s

F

voedingsstrcom f v;anddikte m

HETP hoogte equivalent met een theoretische evem'richtstrap

K verhouding van de ffiolfractie van een stof in de geadsorbeerde fase

k _of L L m

en in de vloeisto.ifase, gedefinieerd in vergelijking (J2)

5tofoverdrac~tscoefficient lengte menglengte m adsorptiefactor Pe Peclet getal

PUR

zuiverheid R,RAFF raffinaatstroom strdal Re Reynolds getal

ROF hoeveelheid

D

in het extract/voedingsstroom

S actieve porie circulatie snelheid

SOF stroom van de geadsorbeerde stof/voedingsstroom

v

vloeistofstroom geadsorbeerde gewichtshoeveelheid l/s m m

mis

YYJ

mis

kg

c

( ( ( ( ( ( ( -()

o

n

-

37

-Wc gewicht VQn de -vloeis tof

x molfractie in de vlceistoffase

y molfractie in d" t::;eadsor beerdtJ fase

A

!3 ad:;orptie evenwichtsconstante van A t.o.v. B

rl3

1

f

poro:,i tei t visco:3i tei t dichtheid tortuositeit IC interne porositeit

6p

drukval kg kg/m.s kg/mJ

t:,x _{-verschil tussen de molfractie A in de oorspronkelijke vloeistof en}

de molfractie van de vloeistof, die in evem,,-icht is met het adsor··

bens.

Indices

I in sectie I 11 in sectie 11

III in sectie III

IV in sectie IV

top bovenkant van sectie IV

0 onderkant van sectie 111

E extract

F voeding

n ne evenwichtstrap

( ( ( ( ( (

\0

I

I

- 38 .,

IX LIJ~)T VAN GEBRUIKTE I,ITERATUUR.

1 D.W. Breck - Zeolite molecular sieves, 1973, Joon iüley & Sons, Nevl

2 G, Hommel - l-Iandbuch der gEfahrlich8n suter I, 3 e auflê..ge, 1980, Spri::.l'

-gcr Verl~g, Berlin

3 M. Seko, T. Hiyake, K. Ina.da - Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 18(4),

263 (1979)

4 R.W. Neuzil, _{D.H. Rosback, R.H. Jensen, J.R. Teague, A.J. deRosset}

-Che:ntech, augu3t 1980, 498

5 D.E. Sroughton, R.W. Neuzil, J.H. Pharis, C.s. Brear1y - Chem Eng Progr.

66(9), 70 (sept 1970)

6 A.J. deRos~et, R.W. Neuzil, D.J. Korous - Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. 15(2), 261 (1976)

7 D.B. Broughton - Chimie et Industrie 104(19), 24L!-3 (1971)

8 D.B. Broughton - CEP, october 1977, 49

9 D.B. Broughton - _{Chem. Eng. Prog. 64(8), 60 (august 1968)}

10 D.B. Broughton, R.W. l'Jeuzil, J.H. Pharis, C.S. Brearly - Third joint

annual meeting, American Institute of Chemical Engineers and Puerto

Rican Institute of Chemical Engineers, PuertoRico, May 17 - 20, 1970

11 A.J. _{deRosset, R.W. Neuzi1, D.J~ Korous;D.H.Rosback}

- Papers'presen

-ted at the American Chemical Society, Los Angeles, California, March 28 - April 2, 1971

12 R.H. Perry, C.H. Chilton - _{Chemical engineers' handbook, 5th ed., Mc} Graw-Hill , New York, p 16-18

12a idem, p 24-10

13 S.F. Chung, C.Y. Wen - AICHEJ Mt(6), 857 (1968)

11;. Fun Gau Ho, W. Strieder - Chem. Eng. Sci. ~(2), 253 (1981)

15 M. Sauders, G.G. Brown - Ind • . Eng. Chem. ~, 519 (1932)

16 K. Rietema - Fysische transport=- en overdrachtsverschijnselen, _{Ie druk,}

( ( ( ( ( (

o

- 39

-17 Exxon Research and Engineering Company - Neder=_al.1d~"3 octrooi no 7602348

1~ D.B. Grcughton, C.G. Gerhold -

u

.s.

Patent 2985589 (May 23, 1961)

1C)

L.

o

.

Stein, D.B. Broughton -

u

.s.

?éltent 3201491 ( Aue. 17, 1965)

20 }t.W. Neuû1 - U.S. Patent 3558732 ( Jan. 26, 1971)

21 A.J. deRosset, R.W. Neuzi1 - U.S. Patent ( Dec. 19, 1972)

22 S. Ot.sni, T. I-tlamura, K. Sc.ndo, M. Kanaoka, K. Matsumara, S. Akita,

T. Yamarnoto, 1. Takeuchi, T. Tsuchiya, Y. Nogucr..i, T. Hori- U.S.

Pa-tent 3761533 ( Sept. 25, 1973)

23 R.W. Nt:lizil - U.s. Patent 3855333 ( Dec. 1974)

,

( ( (

"

, (,

BIJ LAGE: GEBR DIKT COMP urERPROGRAMMA

SJ

OR

r 1 '\ PIJ 1 C I T R t:~ tI ( K ) 1'l r::(;r;:R S :O~~ON T,KA,~R,Vl,V2,V3,V4

r=

2;' l.~f=\1.S ~"=~.S~:-l S')E"=1.31 1'):;'=1.44 : OF'::Ç}. 81 q'H'=;~. 87 r.1=":;'-;'-) 95

PIJ

R;~': 9 i; 3STl\D8=1.~ ~Sr~I\f:\=2.5 1\.\=1.9 1\r.=:1. 9 EXT=(ROr+F'F'f*XAF'*(l+(t .. PUR)/PUR)*f ~~r~~O=q~TAaO/bSTADB V?=CO~"F V1=V'2+1-' V 1 =V 2 + ~~ XT iJ,1=V J-DM'*r Vl )S=V1/(F"*SOF") V?')';:V2/{l="*SOF') V1Jt::.=V3/(ti'*.sOF') Vj)S=V4/(F"*~On IjdJV3=V4/V3 RAFF"=Vl"V·1. X~S=f.F'f*XAf*F'/F.XT XRE=(\-PUR)/PUR*XAE XAR=(l-EFF")*Xhf*f/RAff 1iW=(1-X~F)*f

YI3S= X8F.:*EXT

X~R=(H8F'-YBE)/R~Fr XAJ=V40V3*AI*XAR

YAJ=tlf.TAAO*AA*XAR

XB~=A8*XüEIV40V1 rBO=A~*XB~/~ETAD8 wRITE(ó,l) ~RITE(6,2) F",SOF",nOF,COF,ROf WRITE{6,3) NRITEC6,4)

RETAAB,BETADR,XAF,EfF,PUR,AA,AB

;;RITE:(6,S) ~RlrE(6,6)Vt,V2,V3,V4,EXT,RAfF

,,'RI"

t-;

C

6

,7)

~RItE(6,B) VIOS,Y20S,V30S,Y4QS,V40V3 WRITE(ó,9) ~RIrE(6,1~)

XAE,XBE,XAR,XBR

WRITE(6,U)

MRIT~(6,12)

XAO,

YAO,XBO,YBO

3

1

fO~~4T(~1~,~DE TWVOERW~AROEN

VAN

5T~O~EN

ZIJN'

I)

FOR~AT(~ ~,'VERDER8 INVOERGEr.EVENS~ I)

~ fOR~AT(~ ','D~

r.ROOTTE VAN VLOrSTOrSTROMEN IN DE KOLOM IS'

/)

7 fOR~AT(' ','E~KELE BELANGRIJKESTROO~YERHOUDINGEN ZIJN' I)

9

rOR~ATC' ','o~ CO~CENTRATIES

IN EXTRAcr EN RAfFINAAT ZIJN' /)

11 POR~ATC' ','OS CONCENTRATIES AAN

DE

3/4-GRENS ZJJ~' /)

2

r

0 R ~ A T (- , ~ , F'

= - ,

E 1 2 • 4 , ,

sir

=

_

' ,

F 1 et • 3 , , DI F'

= ' ,

r

1 () • 3 , ' Cl

r

=

"

,

F'l Cl' .3

G

"

R/F=

,f10.3/11)

4

FORMAT(' ' , ' RETA A/U=',F6_J3,' UETAD/S=',f6.3$'

XAF='fE10.3t

, , G ' EfF=',~6J4,' PUR= ,F~.4,' AA=',F6,4$

AA=',rb.411IJ

- ~- rOR~AT(~ ','VI= ,E10.3,~

V2=',E10.3,'

V3=

,~10.3t'

V4=',

G

El~.3,'

EXTRACT:',E10.3,'

RAFFINAAT=',E10.3/1)

8 FORMArc' ','Vl/S=',E10.3,' V2/S=',E10.3,'

V3/S=',E10.3,'

V4

G/S=',~10.3,'V4/V3=',E10.3111)

10 F0R~AT(' ','X~EXTP= ,E10.3,' XB

G "

xa

RAFF=',E10.3111) EXTR=·,El~.3,' XÄ

RAfF=·,E10.3

12

r0R~ATC'

','XA

DOOE~ ~=' El~.3

'

u

c

( ( :) (1 ,..

...

,..

...

c

5=1 '~Rln: (r,,13~) 1 3:3 ~. n I{ '" tI T (- -,' S C fI • X A X b K S

r

0 f L E N ~

r

F. 5 eH. 1 ~l -SE:TIS t ' ) Y'I~=(AA*PETAAD+(t-AA1*v40S)*X~R YlI~=V40S*(XüR-XûO)+YBO X~i.lIT=)(AR

XO,UIT=XRR

Ijl=~ SO··l~!=~

1 'J 2 '< P.

=

t I ( tj r::: T A A ~H X All 1 T t X 1311_{1 T. B E.; TAf) B}

* (

_{1-X A U I T - X B} lJ I T) )

KA

=

BETAA5t:K~ YI3UIT=IOHXblJIT Y h ij t

r

=

K fH X A fll l'

*

A I:; T "A B X~IN=(YAUIT-YAI~)/VI0StXAUIT XAI~=(YBUIT-YRIV)/V10S+XdUIT 1~(XATN/XBIN.GT.XAF/(l-XAr») GOTD 103 E: '0\

=

K il. I V 1. ().e; CAL~ KSTO~(S,K5T)

E: 8 \ S ti

=

V

t

H>I

*

A (,Or, ( E'î ) 1 ( ( Etl -1 ) *": ST

*

K J\ )

SO '~II=SO ~ 11+ EF.:~1 SH

Q='jl+1

X!\utl'=XAIN

X ~ U I T

=

H\ 1 ~)

XDUIT=l-XAUTT-XBUlr

yllt\! =YAIJIT '(Rl'! =YRU!T

~RrTE (6,14~) Nt , XAUIT,XBUIT , K5T,EENSH

11~ rOR~AT(' ;,T5,4E10.4) tf(~1.~~.200) GOTO 1J5 ~:)TO 102 1~3 "Jr<,:XT=N1+1

vRS=(XAf/(l-XAF)-XAUIT/XRUIT)/(XAIN/XBIN-XAUIT/XBUIT)

E:~l=Nl+FR.s ~V.=I(A/V1.(1S CA~L KSTO~ rS,KST) E~~SH=Vl*~M*ALO~(F~)/((E~-1)*KST*KA)*fRS S 0'11

=

S 0 ~HI

+

f:: F: IJ S ti G'HO 10f1 1 et 5 ~ R I rE (Ç; I 3 ~l ) I'l'RITS (6,108)

108 F'OR'1AT(' ~,'Pl

SEcrIE

1 EIIJDPIJNT NIEr BEREIKr:EI~OWAARDEN:~1)

WRITECb,1091

N

I,

XAUJr,xnUlr

109 F'ORIolATC' ',"rJ=~,I5 ,.

XA=',F,13.3,"

XB~",E13.3//)

Goro 120

106 wRITE (6 , 30)

WRITECb,110)

110 FORMAT(' ',"

AAHTAL SCHOTfLS

STOFOVERDM. LAArSTf SCH.

SECTI!LEN~r

GE VAN S~CTIE

1')

~RIT8(b,l11) 8Nl,~ST,SOMl

111 FnR~AT C' ~,E12.4,2E20.41/) 3~ fORW_{hT(120(lH.»)}

(-( ( ,) () (î SE:T!:::: T\..;EE J/RrrE: (n,'3C1) 3

233

r~~~~T('

' , ' SCH.

XA

XB

KSTOf

~ENGTE

SCH. IN

"SE:TIE ?") 5:2 Y~Jrr=V 30S*(xaC-XAO)+YAO YH~Ir:(A~/~ETAO"+(1-AB)*V3JS)*X8E .x~ PI=H.f,

x

r

n

'I=xa~ "2=~ Sr) I.p~::~ 202 K~=YAUIT/BETAA8+YBUlr+el-YAUIT·YBUIT)/BETADB I(~ :: RETAA8*KB XRUTT=YI1LJIT/t\R XAJIT=YAUTT/(nCTAAS*KR)

I q X'}UrT/XfdlI'T'.GT.(I .. X'~f)/XAf) r,OTO 2C3

y 0' 'H f:: V 20 S

* (

X A U T T- X A IN) + Y 11, U I T ynUlr=V205*(XRUTT-XRI~)+YBUIT ~.n H T= 1- X !\lJTT-XBU T r X" pJ

=

X i\ lJ I T X~ l'·J

=

X F)tq T \J2='.J2+1 S'~=KB/V20S ~\1:: 1/ q, :lLG KsrOF CS,KST) E: t: ~J S H

=

V '2 H: ~,I

*

Ar, 0 G ( F: '0 I ( ( EH ... 1 )

*

f< S T

*

f< Ij )

s

0 '1 '1

=

S 0 \1 H + t:

r::

:

j S I'; ' /I P I r E ((" 11 n) ~J 2 , X A IJ 1 'I' , X B lJ I T , Y. S l' ,EE: N S ft I~ (~2.EQ.2~0) GOTO 205 ~ () T 0 '2 '" 203 "II!:XT="12+1 F~S =((I-XAP)/XAf-XRIN/XArN)/(X~UrT/XAUIT-XBIN/XAIN) E"J2="2+fRS f.\I=KB/V20S ~v.= 1 1f.>1 :'Al,[j KSTO~ (S,KST) E~~SH=V2'SM*AtOG(~~)/((EM-l)*KST*KB)·FRS S0 '12 =SO'-HHf::Ei~ SH :;OTO ?06 2~5 ,riQITt:(6,30 ) wRU'E;(6,208)

208 FOR~AT(' ',rIN

SECTTE

2 EINnpUNT NIET B~REIKT:EINDWAARDEN:·/)

~ Q I l' F.: ( 6 , 1 09 ) r~ 2 I X A ti I l' , X SU I T

::;oro

223

206",RITEC6,30 )

iriRITEC6 2HJ)

213

fOR~Ar(~

' , '

~ANTAL

SCHOTELS STOrOVERDR. LAATSTE SCH. SECTIELENCT

GS V~rj

SF:CTI!=':

2')

NRITEeb,111) EN2,KS1',SOM2

( t ) )

o

()

...

C SE::TIE DRTE:: ,..

...

S=3 wRITE (6,330)

3 3;;) [0" I'B I.{ A ,. ( ' ' , ' S eH. X A X B

.. SE:TIE: 3') "J3=0 SO '."..! =(~ X~~=Xl\E 3~2 YA~V=RETAAD'XAW/(lt(B~TAAD-l)*XAW) i<: 1\ : Y A ~: V / X ~ 11

r

r

(Y n E~ V • LT. ï ., 0 ) G J T 0 3 ,;, 3 X~~=(YAEV-YAO)/V3~S+XAü 'n:'13+1 E'·'

=

'< À / V ) 0 S S~=lI~~M :~r,r. KSrOF"(S,KST) ~E~S~=V3*E"*ALOG(E~)/(~~-1)*KST*KA) 31') '~Y=SOMH+EF[)SH

KsrOf

;

,nnn:

(6,J4Ç!) :n,XAW , Ksr,FENSH

34a fOR~Ar(' ',15, El?4_t ' ,2810 .4)

lf (~J.~Q.9~0) GOTa j05 r;Of-:1 3~)2 3~3 XA~~=(Y~EV-YAn)/V3JS+XAO ~RS:(XAW-XAn)/(XA~-XAWE) S1.J 3=li 3

+

fRS E~':IO,/V30S :;M:l/fM C4LL ~STOF(S,~ST) gr.; ~ S 11= V 3

*

r.:

~1

*

A LDG ( E M ) I ( ( r:: "1-1)

*

KST

*

KA)

*

F RS 50 '13 =501·1 H + Ef:n SH G01'O 306 3"'5 ~RITE(6,308) LENGrF: 5CH. IN

308 FOR~Ar(' 'L'I~ SECTIE 3 ~INDPU~T NIET BEREIKTIEIND~AAROEN:'/)

WRlrE(6,3~y) N3 ,XAW

309

FOR~AT(' ','~:',

I S , '

XA=',E10.31/)

~or:l

320

3"6 '.l/Rln;C6,3h»)

31~ FOR~AT('

' , '

AA~rAL

SCHorELS srOFOVEROR.

LÄ~TSrg

SCH. SECTIELENGr

G~

VAN

Sf.CTlf. 3')

WRITE(6,111) EN1,KST,~OH3