Bereiding van furfural uit haverdoppen

J ;". '-',-, , ,r" ---->i\ \ 'r ,~ I' ~, w.Ur : -~_ I''*-+~ JWlytLJUUr~_~----t::':~ jl _, _ ,~~!tr~gpJ',n _ H \ I i otoom S ~-~

'î

~: _~ r- ~ BO~EACTOR i res.du f~rfu'!l-Itoop! , ~\ I f,

-

.-r

F1 I "", .·1 L _ _T _ k.~LprOduct,K_ \ ~ , ! I' H'

r

fwr~ur.l ;w.tn(a!..Q~~o.) 1 ~'rr

, teL,

1_, 1

I

-

rTL_

.;

f:Fr.:: I ~ -J::::::;", ..::t t-t---"-,.~ ,_11 ~~ _{': I'} t "

-,

-~---~.-4

~f-f"

- , I r-- --~ - , ""-',' R , 1:1. ' . ' -,+ 1 : ~H ____ .-' i; ~ I

-~

-,

I

~

,

METHAHOLKOlOM lIIIlIIIoGI

S::

.

~-~

::til

.- t _ _ -,...~ ---==10 _

2LL~

~:r-~l::~:~ ~,,---:-= =r'"'=~..,

I

-

1

1 f '

i

3~

'

___

J - - -~ ---.-:- =---, , \

'

:

-I [' 1 1 , i ,

)

'

~

" 'ti

f'l

-! ----+ ~

i---, ' i,. , i :1 ' l

!

1 :

I

'-

~

l

-

'~

~r

1 ~HEIDER Wl!~M,-fP u'ral-m1l>ot'"l ONTWtITEAINOSICOLON ~-""""I

~

-4rt

r1

'-~

I

·~

_I

,

-

1

t

'L .'" - 1-

'

lf

I

' 1 J j

-

~

, ' , , I

~-:

.

[I

A~-

-

~II'

i I , 0 I~ ~ L: ~ -0 ..J!Wobor...-1J!r1l!ill... ~ !,,""rol,wat.. A >---l _,

I

, 1 1'-+ t" C

~

~

~_·I-l - :TER

\f

1 t" ~~~ _1_, , , 1p; ;:~ .. ~ , ] . _.: rB r, - - - - ~ , , I ,.

._--~~-"

I

~- FURFUliAl. WATER-U'FURFURAl 3J'HETHANöL FUII'URAI. "WATER

J.VAH.DER.ORAAF. OCTOBER.' . '. SCHAAL 1.: 2S

I

~ . !

).

:,

I

I

,

I I

i

lil

i J

October 1959. J. van der Graaf,

Havenstraat 95,

Ridderkerk.

Titel: Bereiding van furfural uit haverdoppen.

Inleiding: Reeds in 1850 werd ontdekt dat een lichtgele vloeistof ont-stond wanneer zemelen met verdund zwavelzuur werden gekookt. Aan deze vloeistof werd de naam furfural gegeven. (furfur

=

zemelen), In 1922 werd furfural voor het eerst op technische schaal bereid met een totaal-opbrengst van 50 kg. per dag (XI,826) Nadien nam de productie voortdurend

toe, zodat deze momenteel gestegen is tot een wereldproduct ie van

1.500.000 ton per jaar. (111,996) De toepassingsmogelijkheden voor furfu-ral zijn in de loop der .iaren uiteraard aanzienlijk toegenomen.

Omdat het een aromatisch 'aldehyde is kan het dienen als grondstof voor de bereiding van formaldehyde-harsen. (IV,1217)

Verder wordt het gebruikt als aroma voor tabak (IV,1217) en als kiemdodend

en zwammenverdelgend middel. (IV,12l7) Als grondstof voor verschillende derivaten vindt het een steeds uitgebreider toepassing, o.a. voor de berei-ding van, furfurylalcohol, tetrahydrofurylalcohol, furan en tetrahydrofuran (111,996) Furan wordt o.a. gebruikt in de parfumindustrie (IV,1217)

Furfural wordt ook gebruikt voor de bereiding van adipinezuur-nitril, een belangrijke stof in de nylonindustrie (11,314)

Behalve als grondst~f voor organische synthesen is furfural uitermate

be-langrijk als selectief oplosmiddel. De voordelen van furfural als oplos-middel zi.jIi namenlijk; 1) de hoge selectiviteit, 2) het is .E.~m~el_ijk te-rug te winnen, 3)het i~vlambaar, 4) het is niet tox~sch. 11,1.2)

Van deze eigenschappen maakt men in de petroleumindustrie gebruik door furfural als extractiemiddel te gebruiken (111,996) ,o.a. voor' de raffi-nage van$Ileerolie. (XVIII,5) Ook wordt furfu~~l gebruikt voor de zu.ivering van butadieen, dat voor de bereiding van synvetische rubber wordt gebruikt.

(XVIII,8)

Mogelijke bereidingswijzen:

1) Furfural kan worden bereid door afvalproducten van de landbouw, die een aanzienlijk percentage pentosanen bevatten, met stoom onder druk van onge-veer 9 atmosfeer en bij een temperatuur van 180°C ye hydrolyseren. Tijdens

het proces wordt een stoom-furfuralmengsel afgevoerd dat, na condensatie,

in een daarvoor benodigde sCheidingsapparatuur gescheiden kan worden.

(VII,823).

2) In'~,pl,aat·s van de reactie alleen met stoom uit te voeren, kan bovendien verdund zuur aan de grondstof worden toegevoegd, waardoor de

werktempera-tuur en dru~ verlaagd kunnen worden. (IV,1217) Uiteraard is dit met zuur

gekatalyseerde proces goedkoper daar dit een energiebesparing oplevert.

3) Door bewerking van stro of hout met oververhitte zoutzuurdampen./~! Grondstoffen: Meer variatie dan de bereidingsmethodendie mogelijk zijn, biedt de keuze van de grondstof. Als uitgangsmateriaal voor de bereiding van furfural kunnen worden gebruikt:

1) maiskolven; Het theoretische rendement = 22

%

(VII,1057) 2)haverdoppen; Het Theoretische rendement

=

22

%

(IV,1217)

3)sui.kerriet; f t " 1111 = 17

%

(111,996)

4 ) r i j s t d o p p e n ; " "

" =

12

%

5)cellulose afval van de papierindustrie (XV,1409) 6)Uitgeperste olijven en ciderdraf.

7)caeaoschillen; opbrengst bedraagt slechtsë 2%. ,

, ;

.

..

9~ tarwestro; (XVI,106)

10)katoenzaaddoppen. (XV,1409

-2.

Van alle hier genoemde producten worden in Nederland slechts haver en

tarwe in voldoende hoeveelheden verbouwd. Aangezien tarwestro en

haver-stro een laag rendement geven, is het raadzaam de furfuralbereiding uit

te voeren door uit te gaan van haverdoppen, waarmee een werkelijk

rende-ment van 11% wordt verkregen. (XX,204) De Meeste andere grondstoffen

ge-ven een rendement dat lager is dan 10%.

Plaats Van de fabriek: Aaangezien Nederland een ~~h~1g~

havermoutindus-trie heeft (11,530), verdient het aanbeveling deIurÎural~abriek te

plaat-sen in de nabijheid van een havermoutfabriek. Daar ziet men zich namelijk

voor het probleem geplaatst hoe men de haverdoppen, die als afval bij de

productie ontstaan, verwijderen kan of effectief kan maken. Verder is het

bij de plaatsing van de fabriek van belang rekening te houden met de

af-nemers, zodat het raadzaam is het bedrijf te ~praat sen ln rre nabiJheId

van

een olieraffinaderij, of~langs een rivier waarlangs transport mogelijk is

en eveneens aanvoer van eventueel benodigde grondstoffen.

Capaciteit van het bedrijf:

Allereerst kan de vraag gesteld worden hoe groot de wereldproductie van,

en de vraag naar furfural.is. De wereldproductie bedraagt 1.500.000 ton

~er jaar, terwijl het verbruik in Nederland per jaar 45.000 ton bedraagt.

(II,314)~el dat per jaar het bedrijf 330 dagen in werking is, dan is het

~ mogelijk ~ 130 ton furfural per dag te fabriceren, waarvoor in Nederland

een afze ogelijkheid bestaat. Aaangezien het proces echter discontinu is,

is de grootte van de reactor een factor die mede bepalend is voor de

capa-citeit van het bedrijf. Wanneer gesteld wordt dat met haverdoppen een

wer-kelijk rendement van 11% verkregen wordt (XX,204), en dp verwerkingstijd

B

uur bedraagt (XIX,672} is de dagproductie 33 ton, indien per charge 100

ton haverdoppen wordt verwerkt en 3 charge~per dag worden uitgevoerd. Het

bedrijf voorziet dus in ongeveer ~ gedeelte van de Nederlandse behoefte,

Indien men de capaciteit van het bedrijf wil vergroten kunnen meerdere

reac-toren in serie worden geplaatst. Het is mogelijk per dag 3 charges van 8

uur (IV,121B) uit te voeren, wanneer 2 reactoren naast elkaar worden geplaatsl:ï.

Terwij~ de ene reactor in werking iskan de andere worden gevuld met 100 ton

·haverdoppen en 30 ton 5% H2S04 Aan het eind van de B uur

verwerkingsperi-ode wordt de tweede reactor ingeschakeld terwij~ de eerste wordt

stilge-zet, geledigd, en opnieuw gevuld wordt voor de volgende bewerking. Zo

ver-werkt Quaker Oats Company (Chicago, Illinois) 800 ton haverdoppen per dag

(XX,672)

De reactor kan niet onbeperkt groot worden gemaakt, aangezien de

construc-tie bolvormig is, en het gehele gevaarte moet wentelen tijdens de reactie.

Wanneer àen capaciteit van 33 ton per dag verwezenlijkt moet worden, heeft

de reactor een diameter van ongeveer 5,5 meter (zie ve:rau·reactor), hetgeen

in overeenstemming is met de bestaande reactoren. (IV,1217)

Een kleine reactor heeft namelijk een capaciteit van 22,5 ton per dag. (XIX,673).

De reactie:

De reactie die bij het furfural bereidingsprocéd~ optreedt bestaat uit

3 delen.

1) Onder invloed van oververhit water worden de pentosanen die zich in de

grondstof bevinden partieel gehydrolyseerd en in eentoestand gebracht

waar-door zij in oplossing gaan. .; 2 vA.. .. 4 ?

2)Door hydrolyse gaan de pentosanmon daarna over in~)pentosen.~

•

(

In totaal zijn er 4 factnren die van invloed zijn op het fJrfural be-reidingsproces uit haverdOl~en .

1) Zllurconcentratie van de oplossing:

De furfuralopbrengst als functie van de zuurconcentratie vertoont een maximum. De oorzaak hiervan is dat de natuurlijke basen die in de grondstof aanwezig zijn door het z~ur geneutraliseerd moeten worden.

Wanneer al de base juist geneutraliseerd is wordt de maximale

hoeveel-I

heid furfural verkregen. Wanneer het milieu al te ZUllr wordt is dit dan

ook nadelig voor de furfural opbrenf8~ .

De optimale hoeveel~eid zuur bedraagt voor zwavelzuur 1,5% op droog

grondstof gewicht. De furfuralopbrengst is dan 11%. (YII ,1057)

H2S04 is het meest geschikte zuur, aangezien dit veel goedkoper is dan fosforzuur, ~en veel minder vluchtig dan zoutzuur.

Een heel goede kat. is mierenzuur. 2% mierenzuur per grondstof

ge-wicht geeft een rendement van 12%.

Mierenzuur is door zijn hoge prijs ec',t er n iet economisch (VII ,1058) •

2) Temperatuur:

Aangezien tijdens de reactie het gevormde furfural door de reactie-stoom wordt afgevoerd als stoomdestillaat, ligt de druk vast zodra de temperatuur gekozen is.

'Tet temperatuurtraject waarbinnen het proces mogelijk is ligt tussen

~qOO 0 en 29000. De druk kan varieren tussen 3,4 atmosfeer en 8,2

atmosfeer. Het gebruik van katalysator (zuur) bij het proces verlaagt de reactie temperatuur en druk. (XIX,672) .

3) Verhouding vaste stof vloeistof :

In het reactieresidu blijft nog een heel klein gedeelte vrij furfural in oplossing. Deze hoeveel'leid neemt toe als de vloeivaste stof-verhouding toeneemt. Bov,:,'ndien neemt dan de hoeveel heid stoom die voor het proces nodig is toe, aangezien het water door de stoom moet

worden opgewarmd. De vloeistof-vaste stofv'3rhO"lding kan varieren

tus-sen 10 en 0,25. De optimale verhO lding is 0,3. Dan is de hoeveelheid vrij f~rf~ral die in oplossing achter blijft verwaarloosbaar klein.

(XIX,673).

4) De reactietijd: deze wordt mede bepaald door bovengenoemde fac-toren. Wanneer de vloeistof-vaste st ofverhouding 0,3 is, en de temp.

1440 0 bedraagt de reactietijd, met M2S04 als kat .~ngeveer 8 uur.

De stoom destillatiesnelheid wordt door deze reactietijd bepaald.

Het Proces:

Zoals boven reeds is opgemerkt is het proces een batch proces. De~

ronde reactor wordt door een mangat in de wand gevuld met 100 ton haverdoppen, terwijl gelijktijdig 30 ton 5% H2S04 wordt toegevoegd (vloeistof: vaste stof

=

0,3 : 1) . De ver~unde zwavelzuuroplossing

wordt bereid door m.b.h.v. een proportieppmp geconcentreerd _H2S04

te pompen in een leiding waardoor wat er stroomt. Nadat de reactor

ge-vuld±is, wordt d.m.v. een stoomleiding in de as van de reactor, stoom

\

van 4,76 atmosfeer (1,9) in ~e \lreactor geVoer.d. tot de druk in de reac-t or eveneens 4,76 atmosfe er lS geworden. I j 'UW t 'Î

f\""~ " 1 ,;"'0('/ vi-. \

--

,

\

,J ." n, ~

.

..

.. -

..,.,. " ; _" -I r -,', .... _{~ : :} " : .,~ , .' .::> " :"'_L ! .... ~. , ,) :' i' .. ". <- , " :~. ). I, . - , -I ,' ... ~ ~ " ~

.,

~ ~ ... f _{J I.' :~ J .} , _'J " _" : :-' ,1 1" ~ :"l ' "

.

-~ "

.

.'. I ,-.r., ~ ""I' 1' •• , o' { !

4.

Op dat mom'3nt wordt een aanvang gemáakt met de stoomdestillatie , door stoom geladen met fufural uit de reactor te voeren. tijdens de destillatie lNordt door middel van binnenkomende stoom de druk in de reactor op 4,76 atmosf'3er gehandhaafd. De temperat'lllr stelt z ic h onder deze omst andighede n in op 14LI-o

c

.

Voor een stoomdestillatie geldt namelijk dat de som van de spanningen van water en te destilleren stof gelijk moeten zijn aan de totaaldruk.

Ps + Pw = P.

Tijdens de destillatie geldt dus Ps

=

P ~Pw.

Wanneer nu Ps en P - Pw als functie van de temperatuur grafisch

worden uitgezet , blijkt dat 2 krommen ontstaan die elkaar snijden in he..t punt F = 470 mm Hg en'l' = 14-4° 0. De evenwichtstemperat :lur bi,~e stoomdestillatie is dus 144~ ~.

T6V'3ns blijkt uit deze grafiek dat Srp = 0,127. d.w.z. het gewichts

-percentage furfural in het uit de reactor komende stoom-furfuralmeng-sel

=

12,7%.

P-Pw als functie van de tempT werd gevonden uit tabellen van Pw als functie van de temp. (tot 100°0, V,149, boven 10000, V,278)~;i6

at-I mosfeer

=

3620 mmo lig is. Î N H . - r ; 6 f ' é Y 6N ":t) 197~

I

Voor Ps (= P ~ als functie van de temp. zie: (V,160 en IV,996)

. ~ . De Zo gevondefUt'Mp~l~omt over~en met de temp. gegeven in (X,422).

:t

INa een verwerkingstijd van ongev'-"er 8 uur blijkt het furfural gehalte

'\l ',,;,,'\:.. van de uit de reactor komende stoom snel te dalen, zodat al spoedig

~~ vrijwel geen .furfural meer uit de reacto~ komt . Op dat moment schakelt

" men over op 0'" andere react or die gevIld is tij dens het proces met de eerste. Terwijl met de tweede react~or gewerkt wordt, wordt de eerste reactor geledigd nadat de druk is afgelaten. Het ledi₆en van de reac

-tor geschiedt weer via het mangat. Indien men het vochtige residu effect ief zou willen maken, bestaan hir->,rvoor verschillende mogelijk-heden;

1) na drogen kan het als brandstof dienen voor de stoomproductie.

2) In verband met het kleine p 'rcentage H 80 dat het nog bevat,

f\ kan het dienen ali "fillerlt

voorxkunstmest~ H~t

_{heeft namelijk ab}

-sorptiekracht voor water en aantrekkingskracht voor ammoniak.(XX,674) .

3) Het kan dienen als grondstof voor de bereiding van kool (IV,1219) ·

~

-\- De discharge vloeistof bevat nog slechts 0,05% furfural'berekend op oorspronkelijke voeding (XI,823) . Dit komt overeen met 50 kg. fur-fural op ongeveer 100 ton residu. Het tijdens het proces uit de reac-tor komende stoom-fllrfural mengsel, dat ook nog een gering percentage methanol, acetaldehyde en azijnzuur bevat, wordt naar een condensor gevoerd, waarna de vloeistof via een opvangvat een destillatiekolom wordt binnengevoerd. Het ketelproduct dat deze kolom verlaat bestaat hoofdzakelijk uit water met enkele procenten azijnzuur en ander or-ganisc h zuur.

\.1 Boven uit de destillatiekolom ontwijkt een azeotropisch mengsel van "-- furfu~al en water ((i\ 35 gew. % furfllral) . Dit mengsel komt via een

. partiele reflax co~ensor, een totaal condensor en een koeler in

\~v( '\ een scheidingskamer. Aangezien bij kamertemperatuur furfural slechts

SV,

y

'voor 8 procent in water oplosbaar is, en water slechts voor 6% J.n .

~ furfural, scheidt de vloeistof zich in deze kamer in 2 lagen. De

bo-I venste laag die dus 8% fu-rfural bevat en bovendien ongev-'er 3% lichte producten (voornam.elijk methanol) , wordt een methanol kolom binnenge-voerd. Boven uit de methanolkolom ontwijkt een mengsel dat voorname

-lijk uit lichte producten bestaat (9.5%) . Dit mengsel wordt via een condensor en een koeler naar een opSlagtank gevoerd en kan gebruikt worden als anti-vriesmiddel. (XX,674)

Het onder uit de met hanolkolom kom·?nde furfuralwater mengsel wordt teruggevoerd naar de boven re ds genoemde hoofddestillatlekolom.

_'J .' "L ',[ : " ) '," .. i" r: '; i ~, >' , i . -.. , r _{,. ,} .' ~ ;.

I

I

I

r'

I

5.

De furfurallaag uit de scheidingskamer, die nog 6% water bevat en

practisch geen organisch zuur meer, (IV,1219)) wordt via een

voorraad-vat boven in een ontwateringskolom geleid. Onder uit deze kolom wordt ~

practisch zl.livere (99,5%) f llrfural afgetapt, dat via een koeler en een filter naar een opslagtank wordt tSevo:?rd. Het azeotropische furfural-stoom mengsel dat boven uit de kolom ontwijkt wordt na condensatie en koeling teruggevoerd naar de scheidingskam?r, De verkregen f urfural

komt als een 99,5% oplossing in de handel (11,315)

Constructiematerialen:

De proportioneringspomp die dient om het ge~D~ntreerd R~S04 te

ver-pompen, is vervaardigd van Gietstaal.

(nv,

U,.:i.

).

De leidIDgèn waar het verdund H/SO~ door verpompt wordt zijn van constructiestaal (XIV'11,1) ev~nals de reactor.

De leidingen waar het reactieprodl..1ct doorgevoerd wordt zijn van koper

i.v.m. het azijnzuur dat zich in fiet r eactieproduct bevindt .

Ook de fractionneerkolommen, de SC~le idingskamer en de condensors zi~n

om dezelfde reden van koper. (IV,1217) De opvang.tank is van staal.(1,7) Apparatuur met warmte en materiaalba~s.

De materiaal- en energiebalansen zijn berekend per charge van 8 uur. Materiaalbalansen worden opgegeven in tonnen/8 uur. 0

Energiebalansen in enthalpien (K cal./8 uur); standaardtemp.

=

25

o.

1) Reactor:

-a) afmetingen.

Bij een vloeistof vaste stofverhouding van O,J : 1 worden de h

aver-doppen juist geheel door het water bevochtigd. (IV,1219)

Het benodigde vol~me voor een charge van 100 ton haverdoppen en 30 ton water

=

100 m~ (fmengsel: 1,5)

De straal R. van de reactor

=

2,78 m., de diameter D : 5,56 m. Stoom wordt ingev8erd van 4,76 atmosfeer, waarvan de verzadigings-temperatuur 150,5

o.

is

(V,278).

b) in en uitgaande hoeveelheden;

Inkomende haverdoppen : 100 ton 8 uur : H.

Inkomende vloeistof =

°

ton 8 uur =~ (5% H_2S04)

Stel inkomende stoom

=

x

ton 8 uur : S

Uitgaand dest illaat: Rendement van j:jroyes : 11%. In totaal wordt dus

per charge 11 ton f urfural gevormd. Dit is 12,7% van het stoom-flrfu-ralmengsel dat uit de reactor komt.

-Totaal komt dus per charge uit de reactor 11 x 100 = 86,6 ton destil-12,7

laat :

i.

De hoe ve e lhe id re s idu die ui t de

+ 86,6 = (43,4 + x) ton residu.:

11an t H + L -t-

S

=

F + R.

C)wa~te in houd~ der massa's:

Ha 25

=

0.

HL

250 :

o.

reactor komt beäraagt (100+30 +

x)-R.

RS (150,500., 4,76 atm.) : 655,9 Kcal.IKg. (V.278)

Hil 1440 C.:

Analyse haverdoppen: 35% pentosanen.

35% cellalose.

15% lignine (VII,1057)

6% H20

. l ~ 1-.. _ ", ~ , ~. "\ "\ -' ,.. .

.

'

",-,,-) , ....-. ',~ I ) _ c r , ... , '-. , '--. ....,., . ,-~ -, / -,"

6.

Na de bewerking bestaat het droge residu hoofdzakelijk uit cellulose,

zodat Cp.droog residu gesteld kan worden op 0,3 kcal/kg.

De hoeveelhwid droog residu die over is bedraagt 7 maal de hoeveelheid furfural die gevormd is,d.w.z. 80 ton/ charge. (IX,673).

H.droog residu,144oC=6 5,7 kcal/ Charge. = 0,3(144-25) .

H.water in residu,144 C = 145,5 kcal/kg. (V,L78).

De totale hoeveelheid residu R = ( x+ 43,3) ton/charge.

De fractie droog residu hierin bedraagt 80/(x+43,3).

De waterfractie van het residu bedraagt (x+43,3-80)/ 80.

De enthalpie van het totaal residu bedraagt:

H

=

(80)(35,7)/ (x+43,3). +(x+43,3-80)(145,5)/ (x+43,3).

want de enthalpie is additief samengesteld uit de samenstellende compommten Desamenstelling van hetdestillaat F = 12,7% furfural , 86,1% water en 1,2% Heads.

Indien de soortelijke warmtes (zie: IX,4) en de verdampingswarmtes

(zie V,d99) van de verschillende componenten bekend zijn kan de enthalpie van het stogmde stillaat F berekend worden • . '

H.stoom,144 C,4.76 atm. = 653,9 kcal/kg.(V,~78) .

H.furf.

=

143,è kcal/kg.

H.methanol =263,7 kcal/kg.

Hieruit volgt ~ = 589 kcal/kg.

De onbekende hoeveelheid stoom x kan nu gevonden worden uit een energi e

-vergelijking over de reactor.

~THF- H.HH + L._{HL + S}._{HS = R}._{HR + F}._HF•

Na invullen van de hierboven uitgerekende grootheden

lijking in x.Na oplossen van deze vergelijking wordt Hoeveelheid stoom = x 9 95,1 ton/ Charge.

Materiaalbalans:_

De in de reactor komende stoffen zijn :

Voeding haverdoppen H Hoeveelheid zwavelzuur in L Hoeveelheid water in L Hoeveelheid stoom S

=

\ ~\ 100 ton/Charge'.. ,~

A-.

5

'"

r

~~ . . . , It '--. .2: 8 ,

5

ti _________

=

=

95,1 11 Totaal = It

De uit de reactor komende stoffen zijn:

Furfural in destillaat F ₌ 11 ton/Charge.

Heads in destillaat F ₌ 1 IJ

Water in destillaat F ₌ 74,6 1t

Droog residu in R = 80 u

Water in R = 58,5 tt

r ,. ,

.

'. C r '

.

..

f - (

(

I

I

-Energie balans : __

enthalpiën van de in de reactor komende stoffen zijn:

enthalpie haverdoppen = 0 Kcal/charge

=

H x HH

0411 zwavelzuur

=

°

ti Ie )

7.

t1 wa t ':'3 r =

°

ft . . )

=

B x HL t1 stoom(150oC, 4,76) =62.380.103 Kcal/charge.

=

SXH S =

Q~

~2§Q~bQ3

Kcal/charge.

---Enthalpiën van de uit de reacbor komende stoffen zijn:

Tbtaa1

(enthalpie furfural in destillaat

(.t stoom + Heads in dest illaat

(enthalpie drOOg residu = (enthalpie vochtig residu

= 11.000x143,2= 1.575,103Kcal/charge = 74.614x653,9=49.443 103Kcal/charge = 80.000x35,7 = 3856 103Kcal/charge = 58.496x145,5= 8506,103Kcal/charg =

g~!~§Q!1Q~

Kcal/charge. 2) Verdunningssysteem water - H_2S04: 1,5% op ~verdoppen 1500 Kg. H_2S04 = 765 1. Optimaal percenta6e H?S04 =

Totaal dus nodig p'3r ~harge

Verder nodig 28~ ton water.

De zwavelzuuroplossing wordt dJ.s 5% ig.

Materiaalbalans: 1,5 ton H?S04/charge .

Inkomende stoffen: 28,5 ton w~ter/c~arge .

Totaal ~Q~Q ton.

Uitgaande stoffen: 30,0 ton 5% ig H_2S04

Enegergieba1ans vervalt aangezien alle massa's op kamertemperatuur zijn.

De mengwarmte is hi~rbij verwaarloosd.

3) SCheidingsapparatuur:

Teneinde de scheidingsapparat llr geheel te kunnen berekenen is het

no-dig te beginnen bij de ontwateringskolom, aangezien deze direct met de

gegevens te berekenen is. Zodra de ontwateringskolom geheel berekend

is, kunnen de voorafgaande apparaten worden doorgerekend.

Ontwateringskolom:

Het rendement van de sche idingsapparat lJ.J.r wordt gesteld op 99,5%

furfural op oorspronkelijke fllrfural die uit de reactor komt. Tot ale

opbrengst aan furfural bedraagt dus 0,995 x 11.000 = 10,945 ton fll

rf\1-ral. De hoeveelheid filrfural in het ketelproduct van de ontwaterings ....

kolom bedraagt 99,5% =

X

D (II,415)

De totale hoeveelheid ha..Yïdelsf'J.rf!lral die per charge bereid wordt

be-draagt dus 11 ton = D.

Het ketelprodilct is furfural op kooktemperatuur (1620

C),

zodat HD=

cp furf~ r162-25)

- - 1

I

.; .,

"

I

i

:

111(

:

I ~ ' I ,,11 I ,Ir I ~(.lJ..(lrl~ 8.

Materiaal fover de ontwat eringskolom :

voeding = ketelprod0ct + destillaat.

B = D + W

Furfuralbalans over de knlom

B~ = _DXD +

De samenstelling ven B wordt bepaald door de oplosbaarheid van water in fU.rfural bij 25 C; x_R = 94,2% (IX, 5) .

Yw ligt E!S:~~ ~· S die aan ~et af te destilleren dampmengsel wordt

gesteld: b.v. y , = 40%.

In bovens

~~er

g

elijkin

g

en

komen n l nog twee onbekenden voor,

n.l. B en W.Na o~lnssen van deze twee vergelijkingen wordt gevonden:

B = 12075 kg/charge. W=1075 kg/charge.

B is voeding Ol-' kamertemperat cur,zodat RB=O.

VJ is een mengse 1 van 40% f lrf traldamp en 60% st oom 01) kookt emperat iJ.ur; kpt= 97,80C; _R"=Xf n (rf f +c f' f (97,8-25))+x. t (r +97,8-25).

-'Iv urI • ur . p. ur • wa er. w .

Hm=4-17,4-kcal/kg.

Om

de hoeveelhe!d warmte die in de reboiler moet worden toegevoegd te kunnen bepalen,moet men gebrlik m~en van de energiebalans over de kolom .

BRB + Ql = _DRD +~!HW·

Hieruit volgt: Q = 1066.103.kcal/kg.

De hoeveelheid wakte die in de condensor wordt afgevoerd =Q2=W(:f\,/,-HW')

= 388.829kcal/charge.

De hoeveelheid warmte die in de koeler wordt afgevoerd bedraagt \JH~/

= 60.126kcal/charge.

Materiaalbalans~

Inkomende massa's:

Furfural in voeding B .üt scheidingskamer BX_B = 11,4-ton/charge.

water 11

u 11 11 11

Totaal

Uitgaande massa's zlJn:

Water in destillaat W

Ketelproduct D (99,5% furf~ral) Furfural in d~stillaat

WyW

Totaal

Energiebalans:

Inkomende warmt eho'eveelheden:

Enthalpie voeding B Ql (reboiler) Totaal Uitgaande warmtehoeveelheden: 11 = =

=

Enthalpie ketelproduct D(f,J.rfural 99,5%)

Q2 (condensor) Q3 (koeler) Totaal

0,7

ti = 19~b

___

~

________

---= 0,7ton/charge. = 11 ton/charge. = 0,4 rt

=

12

__ ~

1

_ _ _ _ !l! _ _ _ _ _ _ _ ---=3 0 kcal/charge. 1066.10 u

~~gg~è~~========~=======

1

I

-'

_ - l \;, .

I

I

.

Aantal schotels van de ontwaterings kolom:

J;- \ j

Allereerst werd een y-x diagram geschetst van f Jrfural-water m.b.h.v. de tabel in (V,574) .Het gedeelte boven de azeotrvop dient voor de ont

-wateringskolom. De kolom 'Iv'erkt "nder reflux i I f

De warmtei:r:houd van de voeding is ere en; op q

e

~

.

~W

=

1,13.

Samenstelllng ketelproduct Xo- = 99,5%. ~I\ i.., •

Furfuralgehalte van het dest"fllaat y .

=

40%. ~I)L,

Met deze gegevens werd m.b.h.v. de c~nstructié~lgens SoreU het aantal

schotels geconstrueerd. Het aantal schotels bleek 6 te beuragen.

Wanneer de overall-efficiency van de kolom op 70% wordt gesteld,blijkt

het benodigd-' aantal practisc ... e schotels 9 te zijn.

Wanneer een schotelafstand wordt aangenomer van 60 cm. kan de schoteldi

-ameter berekend worden m.b.h.v. de volgende formules.

V d -- C • f l

-(

g

=

maximale dampbelasting.

tg

C hangt af van de schotelafstand en is bi een schotelafstand van 60 cm.

0,060 m/sec.lndien C op 1/3 van deze waarde wordt aangenomen treedt

practisch geen

3meesleuring Ol.' van3vloeistofdrup peltjes door de damp (XIWfBS

t

1. = 1159 kg/m .

F

g

=

0,58 kg/m •

De dampsnelheid wordt in dit geval: v

=

1,335m/sec.

De hoeveelheid furfural die in de reboiler verdampt wordt ,bedraagt de

toegevoegde hoeve~lheid warmte Ql gedeeld door de verdampingswarmte van furfural, zodat G 1257 kg/uur

=

0,349kg/sec. bedraagt .

Gf

=

~

vA

.

Hieruit volgt : A

=

0,45 m2.en de diameter D

=

Q75m.

De vo~ding wordt boven de eerste schotel van de kolom ingevoerd.

Scheidingskamer:

De energiebalans over de scheidingskamer vervalt aangezien alle massa- s

op kamertemperatlJ.ur zijn en blijven.

In de scheidingskamer komt binnen:

1. (~condenseerd furftJral-watermengsel :J.it de ontwateringskolom:

W

=

1075 kg/ charge; ~'J = 46%.

2.Gecondenseerd furfural-water mengsel A uit de hoofddestillatiekolom.

De eis die aan x_A wordt gesteld is: x_A = 34,5% furfural. Uit de sCheidingskamer treedt naar b,üteTI::

1.De furfural-waterlaag C die naar de methanolkolom gaat ; De samenstel

-liB-g van C wordt bepaald d"or de nplosbaarheid van furfural in water bij

25 C;

Xc

=

8,8%.(LX,15).

2.De furrural-water laag~die naar de "ntwateringskolom gaat; De samenstel

ling van B wordt bepaald door de op10sbaarheid van water in f Jrfural bij

250C. x_B

=

9L~,2% furfural. B

=

12075 kg/charge.

De t wee onbekenden A en C kl.Innen n J. gevonden worden door oplossen van de

twee vergelijkingen van de totaalbalans erl de f urfuralbalans over de

separateur: resp. A + ~J = B + C. en Ax_A + W~

=

B~ + CXC.

Na oplossen wordt gevonden: C

=

27820 kg/charge en A

=

38820 kg/charge.

Materiaalbalans:

-10.

Furfural uit ontwateringskolom = Wx = 0,4-3

Water ti tt = Wxf = 0,64 ton/charge.) =w.

Furfural uit hoofdkolom = Axw = 13,4

Heads

..

lItI

=

Axf = 1,0

Water uit hoofdkolom

₌

Axh = 24-,4

w

••

u Tptaal = 39,9

"

---

-Uitgaande massa's zijn:

Furfural in furfurallaag =

_~~

=

11,

4-Water t i at = = 0,7 ton/ charge.) =B.

Furfural in waterlaag

₌

Heads ti l!II

=

Water tt ti =

Totaal

Capaciteit van de separateur:

Cx

w

=

C~

= Cx_w

₌

= 2,5 1,0 24,3 39,9

---"

u n

..

) )

=c

.

De bezinkingssnelheid v van de furfural druppels in de afscheider wordt

gegeven door de volgende formule:

~

/ , - V = D

C

r

furf• - fwater.) g.

i, I ~~~ . 0 18 "

3

l

-3

2

~ furf.

=»

kg/m .(V,139). ~water.

=

0,9.10 N.sec./m .(XII,P3) 9

Wanneer de diameter van de furfural druppeltjes op 0,05 mm. gesteld

wordt bedraagt de bezinkingssnelheid volgens bovenstaande formule v=9 Cm/SE

Wanneer verder gesteld wordt dat de in de scheidigskamer komende massa's

(W enA ) daarin een verblijf tijd hebbe~ van 10 minuten bedraagt de

ca-paciteit van het apparaat ongeveer 1 m • Indien de hoogte 1,5 m bedraagt

en de diameter 0,9 m hebben de furfuraldruppels ruimschoots de gelegen

-heid om te bezinken.

Methanolkolom:

In het stoom-furfural mengsel dat uit de reactor komt bevindt zich

on-geveer 1% lichte producten gerekend op haverdoppen. D.w.z. totaal is

per charge ongeveer 1000 kg heads aanwezig in het reactiemengsel.

Deze producten bestaan voor ongeveer 70% uit furfural(XI,827).

Voor de berekening wordt het systeem nu dermate vereenvoudigd, dat gerekend

wordt alsof 1000 kg methanol zich bevindt in de waterlaag van de

afschei-der C. Dan bevat deze waterlaag 3,6

%

methanol.

Verder wordt gesteld dat het systeem binair is , d.w.z dat alleen water

en methanol aanwezig zijn. methanol

Het yroduct dat boven uit de Kolom komt bevat 95

%

~~~~fel , en dit is

95

%

van de totaal in de kolom komende methanol , zodat het topproduct

M 1000 kg bedraagt. De temperatuur van het topproduct is de

kooktempera-tuur van methanol = 64,50C.

Het product dat onder uit de kolom wordt afgevoerd

CR

)

is een water

-(furfural\ mengse 1 op kookt emperat u.ur 980C.

De hoeveelheid R wordt gevonden m.b.h.v. de vergelijging: C

=

M + R ,en

bedraagt 26820,9 kg/ Charge.

Het methanolgehalte van het ketelproduct kan gevonden worden uit een

methanolbalans over de kolom: Cx

C = MYM +

Rx

R• Hieruit wordt gevonden

dat x 0,19% bedraagt .

In C ~evond zich 8,8% furfural

=

2448 kg, hetwelk zich nu in R bevindt

-I

,

.

"

11.

Aantal schotels van de kolom:

De warmteinhoud van de voeding q bedraagt 1,08. Deze waarde wordt gevon

-den uit de enthalpie van de voeding

H; (

= 0 want de voeding is op kamer

-temperatuur) , de enthalpie van damp

op

~90ktemperatuur Fr (deze wordt b

e-rekend als additieve grootheid van de en~alpien van methanol , furfural

en water) en de enthalpie van vloeistof op kooktemperatu.lr tt' :

W'

= 526,5 kcal/kg, H' =36,9 kcal/kg.

In een y-x diagram volgens (V,574) werd de minimale reluxverhouding be

-paald m.b.h.v. de q-lijn ,de samenstelling van het ketelproduct en van het

topproduct . De minimale refluxverhouding R/R+l bedraagt 0,71. De minimale

reflux R bedraagt 2,45. De opt imale reflux wordt genomen op 4 maal de

minimale reflux, waaruit volgt dat R optimaal 10 bedraagt . R/R+l bedraagt

nu 10/11.

Na constructie van de werklijnen volgens Sorel blijkt dat 9 theoret ische s

schotels nodig zijn, hetgeen met een overall-efficiency van 95% (V,616) ,

overeenkomt met 10 practische sçhotels. -~

De diameter van de kolom bij een schotelafstand van 60 cm, bedraagt 0,83m.

De warmte die in de reboiler moet worden toegevoegd Q~, kan gevonden wor

-den uit de energiebalans over de kolom:

CHC + Q4 = GI\; +RHR

G is de hoeveelheid 95% methanoldam:p die de refluxcondensor binnenkomt,

enkan m.b.h.v. de materiaalbalans over de refluxcondensor en de bekende

refluxverhouding berekend worden: G = 11000 kg/ Charge. De hoeveelheid

vloeistof die teruggevoerd wordt naar de kolom(L) = 10000kg/charge.

De enthalpie van G ,EG ,wordt weer berekend als additieve grootheid van

de enthalpien der samenstellende componentenl .. ~ G.

EG

= 302,1 kcal/kg.

De hoeveelheid warmte die in de reflux condensor wordt afgevoerd Q5'

wordt gevonden uit Q5 =

G(HG

-HL)· Q5= 3.042.600.kcal/charge.

De afgevoerde warmte in de koeler voor de 95% methanolvloeistof M,wordt

gevonden uit Q6 = M.~~;

1

1M

= HL = 25 kcal/kg. Q6 = 25.000 kcal/ charge.

Uit de energiebalans over de gehele kolom volgt nlllJ dat de hoeveelheid

warmte die in de reboiler moet worden toegevoegd, Q2 4.923.606.kcal/charge

bedraagt .

Materiaalbalans

Inkomende massa's:

Furfural in waterlaag uit scheidingskamer _{= CXf =} 2,5 ton/Charge _•

Heads n I!t It H = CXh = 1 ft water ft u u It = CXw = 24,3 t. Totaal =

27,8

u --- ---Uitgaande massa's: Heads in topproduct M M Mx h = 0,95 ton/Charge

.,

Water in topproduct M _~~ = 0,05 u Furfural in ketelproduct K = _Kxf = 2,45 u Heads ft u u = Kx_h = 0,05

..

Water 11 n .~ = Kxw = 24,32 u Totaal = 27,8 \ I 8 ---

--I

I I

I

,

I I I I I

_ _

I

Energiebalans:

Inkomende warmtehoeveelheden: Enthalpie voeding C

Warmte in reboiler Q4

Totaal

Uitgaande warmte hoeveelheden:

Enthalpie residu R

=

RH_R

Afgevoerde warmte in refLlxcondensor Q5

Afgevoerde warmte in koeler Q6

Totaal Hoofddestillatiekolom: 12.

=

0 3 kcal/charge.

=

4923.10 n ---3 _{kcal/ charge.}

=

1856.103 = 3042.103

..

=

25.10 _~" =

?±2g2

.!.

lQ~_

11

---Deze destillatiekolom is een kolom met dubbele voeding,n.l .

1. F, de gecondenseerde dampen uit de reactor, = 86.614 kg/ charge. De

temperatuur van deze voeding is 9800, het furfuralgehalte x~= 12,7%.

De enthalpie ~ is additief samengesteld uit de enthalpien ~an furfura 1

en water, zodat HF = 69,2 kcal/kg.

2. R,het bodemproduct uit de methanolk8lom = .26.820 kg/ charge. De temp e

-ratuur van deze voeding is eveneens 98 C, het furfuralgehalte is 9,13%

en de enthalpie H_R

=

69,2 kcal/kg.

~~ producten die de kol:Jm verlaten zi;jn:

1. Het topproduct A met 34,5% furfural en 65,5% water(+heads) , dat naar

de scheidingskamer gaat . A komt als damp uit de part iele condensor, gaat

naar de koeler en komt dan in de afscheider. A= 38.820 kg/ charge. H_A

=

O.

2.Het ketelproduct K. Deze hoeveelheid kan berekend worden uit de

materi-aalbalans over de kolom: F + R

=

K + A.

De enige ont kende K in deze vergelijking beooaagt 74.614 kg/ charge.

De samenstelling van K wordt berekend uit een furfuralbalans over de kolom

Fx_F + ~

=

Kx_K +

PA

_xK blijkt te zijn 0,073%.

De warmteinhoud van de voeding F, qF

=

1 ( vloeistof op kooktemperatuur).

Decwarmteinhoud van de voeding R, qR

=

1 ( vloeistof op kooktemperatuur) •

. In een y-x diagram van furfural-water(Geconstrueerd volgens IX,6) , werd q,e

minimale refluxverhouding bepaald m.b.h.v. bovenstaande gegevens. Deze~

bleek te zijn 1/11. De minimale reflux R is derhalve 1/10.

R tl _{op m} aal

=

2

.

R

_mlnlmaa

""

1· Hier)it volgt R t" aal _{op lm}

=

1/5. R/:i+l

=

1/6.

Na constructie van de drie werklijnen volgens Sorel in het y-x diagram

wordt gevonden dat het aantal t heoretische schotels 9 bedraagt. Het aan

-tal practische schotels bedraagt wanneer de overaihl-efficiency 70% is ,13.

De voeding F wordt ingevoerd tussen de derde en de vierdee schotel.

de voeding R wordt ingevoerd tLJ.ssen de vierde en vijfde schotel.'

Uit de optimale reflux verhouding volgt de hoeveelheid vloeistof die

teruggevloeid wordt: L

=

7.764 kg/chargei

De hoeveelheid damp die de part iele refluxcondensor binneh komt wordt

berekend uit de stofbalans over deze condensor en de bekende refluxver

-houding. G = L + A. Hieruit volgt, G

=

46. 584. kg/charge.

Bij een schotelafstand van 60 cm beh00rt een schoteldiameter van 1,62

m

,

die op dezelfde manier berekend is als bi, de ontwateringskolom én de

-

-13.

De hoeveelheid warmte die in de part iele condensor wordt afgevoerd ~

wordt berekend met de energiebalans over deze condensor: Q7 + G ~

=

AHA + _LHL•

Aangezien de condensor partieel is fungeert deze als een schotel; De damp G die inkomt Heeft een samenstelli~g Yf f

=

20,6%.(volgt uit de constructie volgens Sorel) . ur •

H~ kan nu weer berekend worden als additieve grootheid: HG

=

514,6kcaljkg.

A verlaat de partiele condensor als damp; Yfurf.

=

34,5%.

Irl

= 447,3 iJ

L de vloeistof dié teruggevloeid wordt heeft een samenstelling 14 4%.

HL

= 66,7 kcàl/kg. Uit bovenstaande vergelijkinG volgt nu Q7 = 6.082.378.

kcal/kg.eHN~

De hoeveelheid warmte die in de totaalcondensor wordt afgevoerd Q8 .

bedraagt A(ffÀ-Hl). ~À = 58,4kcal/kg. HZ = 447,3 kcal/kg.Q8= 15.185.212.

De gecondenseerde vloeistof A wordt nu in de koeler gekoeld. De

~8~~~~~r8

heid wa;mte die in de koeler wordt afgevoerd Q9 bedraagt AHÁ ~~~~

Q9 = 2.267.180.kcal/charge.

De hoeveelheid warmte die in de reboiler moet worden toegevoegd wordt

gevonden uit de energiebalans over de totale kolom.

FHF + _RHR + Q10 _{= KHK} + Q7 + QS + Q9 • _HK = 75 kcal/kg.

De hoeveelheid warmte Q10 die in de reboiler moet worden toegevoegd

blijkt 21.220,497.kcal/cfiarge te bedragen.

Materiaalbalans : Inkomende massa's: Furfural in de voeding F = Heads u

--

~~ F Water uit F Furfural in voedig R Heads

..

rr R Water ti " R T'otaal Uitgaande massa's: Wat'?r in ketelproduct K Furfural in ketelproduct K Heads in topproduct A Furfural in tppproduct A Water in topproduct A Totaal Energiebalans: Inkomende warmtehoeveelheden: Enthalpie voeding F = FH_F Enthalpie voeding R = RH

Hoeveelheid warmte in

reboi~er

Q10

Totaal

=-~

= 11,0 ton /charge. = 1,0 n =-Fxh _{= 74,61 ll1i} W

=

_~

= 2,45 ~, = = 0,05 lt = Rxh = 24,32 lil! W = 112~i_ If

---~K~

= 74,56 ton/Charge. = 0,05 rt = A!h

=

1 ft

~~

= 13,4 u = 24,4 \i W

èè~:!;t==

ti kcal/charge . Ir

••

-14.

Uitgaande warmte hoeveelheden:

Enthalpie ketelproduct K

=

KR =

Afgevoerde warmte in refluxcondensorKQ =

Afgevoerde warmte in totaalcondensor

Q~

=

Afgevoerde warmte in koeler Q9

=

5596•1°5. 6082.1°3· 15185.1°3. 2~67.10 • kcal/charge. It

..

It T"otaaI

₌

g911Q.!.lQ~

_•

_••

---De hoeveelheid warmte Die in de koeler voor de 9~,5% furfural oplossing

D wordt afgevoerd,

QLL

=

_DHD; HH

=

56,1 kcal/kga Qll= 610.000. kcal/ chage

Materi?albalans OVer de totale scheidingsapparayuur:

Inkomende massa: Reactieproduct F = §~~~= Ton/charge.

UItgaande massa' s:

99,5% furfural D

Heads uit methanolkolom, M

Ketelproduct van hoofdkolom

Totaal

=

= K = = 11 ton/ charge. 1 MI' 74,6 IJ §§.12

..

Energiebalans over de totale scheidings apparatuu~~

Indien de condensor van het reactieproduct uit de reactor bij de schei-

-dingsapparatuur wordt gerekend, moet eerst de hoeveelheid warmte worden

berekend die daar wordt afgevoerd.

In deze condensor wordt het stoom-furfural mengsel geexpandeerd van

4,76 atm. tot 1 atm. en gecondenseerd. Wanneer aangenomen wordt dat de

expansie adiabatisch ~;eschiedt, kan m.b.h.v. de formule van Poisson

be-rekend worden dat de enthalpievermindering tengevo1

₈

e van de expansie

47,5 kcal/kg bedraagt. De temperatulJ_r daalt tot 98

c

.

Hi

voor de expansie was: 589 kcal/kg. na de expansie 541,5 kcal/kg.

H na de condensatie = 69,9 kcal/kg.

D~

hoeveelheid warmte die in de condensor afgevoerd moet wordem Q12 be

draagt

F(HF

-

HF)

=

4O.890.863.kcal/charge.

IInkomende warmteho8veelheden in de totale scheidingsapparatuur:

Enthalpie van het stoom-f\lrfural mengsel(4,76 atm) =

51.~28

.

10~

.

kcal/char

.r

Warmte reboiler voor hoofdkolnm QIO = 21.~C:0.103 ~

Warmte reboiler methanC'lkolnm Q4 = 4.9 23.1°3. n

Warmte reboiler ontwateringskolom Ql = 1.066.10 . at

Totaal =

78

.

267

.

103

•

d

Uitgaande warmte hoeveelheden:

Warmte in condensor voor het reactieproduct,Q12 = 40.89 1•1°5

Warmteverlies tengevolge van expansie van F=F.~7,5 = 4.113.1°3 Afgevoerde warmte in refluxcondensor hoofdkolom~ = 6.08.2..103

tt u u totaal

J'

11 Q8 = 15.185-1°3

Enthalpie van ketelproduct hoofdkolom _KHK = 5.59 6•1°3

Afgevoerde warmte in koeler hoofdkolom Q9 = 2.267.1°3

11 4!11 U condensor methanolkolom Q5 = 3.042•1°3

It "" Wo koeler t i R~ = 25.1°3

.. It .. condensor ontw.kolom. ~~ = 389.1°3

Ir J. tt koeler •• Q3 = 6~8: i83 tt te 11 *8~ler furfural Qll = Totaal

=

78.267.103

..

ft l1li

••

tt tt

"

..

..

ti

---~---~~--.

15·

Condensors.en koelers.

De condensors en koelers werken met koelwater in tegenstroom. De tempe

-ratuur van het inkomende te condenseren of te koelen product is bekend.

In de condensor wordt alleen gecondenseerd dus de temperatuurvan het uit de condensor komende prodJct is gelijk aan die van de inkomende dam

-pen. De temperatuur van het uit de koelers komende product kan will

e-keurig gekozen worden,al naar gelang de omstandigheden(meestal kamertemp)

De temperatuur van het uittredende koelwater kan ook gekozen worden al naar gelang de omstandigheden.

De hoeveelheid warmte die d00r het te condenseren of te koelen product

wordt afgestaanm, moet door het koelwater worden ope;enomen. ne hoeveel

heid koelwater ligt dan vast door de hoeveelheid warmte die moet worden

aftevoerd en de temperatuurstijging van het koelwater. Waneer dus een

product G wordt gecondenseerd Is de hoeveelheid \Narmte die wordt afge

-voerd :

Q

= G{Ha - HL) = Koelw_{ater(t eind}- tbegin).

Het warmteuitwisselend oppervlak van de condensors wordt berekend m.b.h.v.

de formule

Q

=

U.A.(AT)l

_.

_m

_.

Q

= de per tijdseenheid af te voeren hoeveelheid warmte.

(~T) = het logarithmisch gemiddelde van het temperatu~.lrverschil

tuss~nmde

te condenseren damp en het koeLI'Jater aan het begin en aan het

eind van de kolom.

U

=

de overall-coefficient voor warmteoverdracht,welke voor verschillen

-de gevallen te vinden is in (XII,48A)

A= het warmte uitwisselend oppervlak.

Wanneer buizen genomen worden van bekende diameter en lengte , kan het

aantal pijpen en het aantal passes van de condensor ende koeler berekend

worden.

De keuze van de diameter en de lengte der P1Jpen en daaruit volgend

het aantal passes moet zodanig zijn dat de snroming van het koelwater in

de pijpen turbulent is.

Hieronder zijn tabellarisch de gegevens voor de verschillende condensors

en koelers weergegeven.

Condensors. eeRd. cond. cond. cond cond

peadtie hoofd hoofd meth ontw.

prod.F kolom kolom. kolom. kolom. Q12

~5

~~

î5

~

koelwatertemp.inlaat.oC

15

koelwatertemp.uitlaatOC 50 50 50 40 50 temp. damp. inlaat oe 97,8 97,8 97,8 66 97,8

temp. vloeistof.uitlaatOe 3 97,8 97,8 97,8 66 97,8

af te voeöen warmte kcal/uurlO 111,3 687,8 1898 380 48,6

(4.T) C ' 63,8 6~,8 63,8 37 63,8

U ~.m. kcal/m~/oC/uur. 1500 1500 1500 500 1500 A m 53,4 7,2 19,9 20,6 0,51 diameter plJpen, inches. 1 0,5 0,5 0,5 0,5 pijplengte, m. 2 1,5 1,5 1,5 0,75

aantal pijpen 334 120 334 346 20 aantal passes. 1 2 :2 c..:: 4 hoeveelheid koelwater ton/uur. 146 19,6 54,2 15,2 1,4

- - -

--16.

koeler koeler koeler koeler

hoofd meth. ontw. furfural

kolom kolom. kolom.

Q8 Q6 Q3 _Ç.

Q

₁₂

Temp.inlaat koelwater.Og

15

15

15

15

temp uitlaat koelwater. c 50 25 50 90

temp. inlaat vloeistof. oe 97,8 66 97,8 160

tem) uitlaat vloeistof.oC 25 25 25 2 5

(AT 20g 24,1 21 24,1 30,6

U

kcà~

'

m

/ C luur. 500 5Se 500 500

xl03

af t~ voeren warmte kcal/uur. .:':83,4 3,1 7,5 4

A m 23,6 0,3 0,62:. 5,12.

diameter pijpen , inches. 0,5 0,5 0,5 0,5

lengte pijpen,m 1,5 2 2 1,5

aantal pijpen 6an~a~-pa~~es. 396 4 8 43

aantal passes. 12 4 8 2

hoeveelheid koelwater ton/uur. 8,1 0,3 0,22 1,04

De materiaalbalansen van de condensors en koelers kunnen worden weggelaten

aangezien de zelfde hoev~elheid koel vloeistof de condensor verlaat ale

binnengekomen is • hetzelfde is het geval met de te condenseren of te

koelen massa. Slechts van de partiele condensor wordt een stofbalans

gegeven

De energiebalansen worden zodanig gegeven dat de hoeveelheid warmte die

afgevoerd moet worden gegeven wordt en tevens de warmtetoe~~me van

het koelwater. Deze balansen worden gegeven in kcalihargea~~W~~eft bij

deberekening over de condensors de warmte stroom per uur nodig is.

Energiebalansen condensors.

l.condensor voor het reactàe2roduct F: Aangezien we hier ook nog met

de-expansle 1ïe-m"äkën- heboen wordt deze-balans gegeven in enthalpien.

In: Q12 = 5.111.320. kcal/uur.

enthalpieverlies voeding = enthalpiewinst koelwater + warmteverlies

tengevolge van expansie.

f F(H

F

-

HF) = Koelw.(_{t e} - tb) +

3

3

45.004.10 = 40.890.10 + F.47,5·

3

4.114.10

De hoeveelheid koelwater Kw bedraagt 1168,3 ton/charge.

~.Partiele

_{- - - -}

condensor voor de Hoofdkol~m.

-Materiaalbalans van het te condenseren product:

kcal/charge.

In: Damp G = 45,2 Ton/charge. Uit: Damp A = 38,8 ton/charge .

vloeistofL =

6,

4

ti Totaal =

45

,

2

ti Energiebalans: -GIl ₌ G

~3~3Q§

_---

~

lQ~~kcal

/c

harge

.

In:

17.372.10~.kcal/char

ge

.

,/

J~w

(t

-tb) =,

54Ó~

·1

0~

.

kcal

/

kg

.

431.10 . ~_ ,-,---' ÎTotaal =233 .10 . 11 "'-Uit:

_A~

₌ L L =

.-\ ' . . . '. ':t , " "·.1 '-' ': cl

- - - -

-2~_~Q~~1~_2QgQ~gêQ!_~QQ~_ gQQl~Q!Q~

In: ARÀ

=

èZ;~Z~;1S~kcal/charge.

Uit:

AHI

=

Kw(te_{-t b )} =

Totaal

=

4.

_---

Koeler voor hoofdkolom:

In: AHA =

~

~~

§Z~~Q~

.

kca

1/c

ha

r

ge

.

Uit: AHA =

Kw(te-t_{b )}

=

Totaal

=

2~_QQg~~g§Q!_yQQ!_~~~h~~Q1fQ1Q~!_

In: GH_G =

~

~

~~~~~Q~

.

kca1/charge

.

Uit_:(L+M)HL

=

Kw(te-t_{b )}

=

6.Koeler voor Methanolkolom:

---

--

--In: MH

_M

=

~~~1~2~kcal

/c

harge

.

Totaal

=

Uit: MHM250= Kw(te-t_b) = Totaal = 17. 2.187.10§kca1/charge 15.185.10 ti;

17.372.103

11 kcal/char ge

".

••

~81.103.kcal/charge 3042.10 3 • lil!

22~2~1Q~

• 1.1>

o

d5.103

g2~IQ~_

kcal/charge. II t.I,

In: ₌

~-9

~lQ

~~kcal

/c

harge

.

--- Uit:

WRvv

=

Kw(te-tb)=

kcal/charge. I

I

§~~Q~l~!_yQQ~_Qg~~~~e~~~g§fQ!Q~!

In: W' HW

=

gQ~èQ~~ kcal

/charge.

2~~Q~1~r_yQQ~_l~f~r~1~

In: _DHD =

g~Q~1Q~~kcal/c

harg

e.

Boilers: Totaal

=

Uit: ~250= Kw(te-t_b)= Totaal

=

Uit: DHD2.50= Kw(te- _{t b})= Totaal

=

o

kcal/Chargei 60.10

3

~Q~1Q~==

t i 'Okcal/ charge. 610.103 Ir

~~2~~2!=

'"

De berekening voor de boilers is analoog aan de berekening van de condenso

I.p.v. water wordt nu echter stoom gebruikt, hetzij stoom van normale

druk hetzij stoom van hogere druk ,al naar gelang de temperatuur waar

-bij het te verdampen product kookt .

'1

I

I

1

I

boiler hoofd kolom QIO

Temp.inlaat stoom.oc. 150

Temp.uitlaat geooma~~t8om °c 150

Temp.inlaat vloeistgf. C 100

Temp.uitlaat damp. c. 100

(~T)] 20

g

.

50

U kcaI'm / C/uur. 3000

Toe t~ voeren warmte kcal/uur. 2.580

A m 16,98

diameter pijpen, inches 1

lengte pijpen, m 1,5 aantal pijpen 2 84-18. boiler methanol kolom Q4-150 150 98 98 52 3000 615, 4-3,94 0,5 1,5 66 1,2 b ·1 oBtwä;gerings kolom.

Ql

200 200 160 160 40 1000 133,2 2,66 0,5 1,5 45 0,86

_~oeveelheid stoom. ton/uur. 5,1

V

Ene rg ie balans re b ° ile

E..ê.:!:.

_m_a...;..t

e_r_ia_a_l_b_a_l_a...;..n=sc::..-v.;...a...;..n=-d~e~t~e~v.;..;e~r;;...;d~a;..;;m~p;,..;e~n~s;;...;t;..:o::.;;;f~

f

~~

___

~~QQ~!~~_YQQ~_Q~~~~!~~~g

g

~~Q!Q~~_

Materiaalualans: liJ.: L

=

~1 ton/charge. Energiebalans: In: LH enhalpie

st~om ~,

4, Totaal Uit: DH_D GH G enthalpie water 200°0 'Fc>taar-g~_~!!~~_YQQ~_~~~b§~Q!~Q!Q~~ Materiaalbalans: Energiebalans: = =

=

=

= = = Uit: D

=

11 ton/Charge. G

=

10 Totaal

=

21

1178.10S·kcal/charge. 1538.10 . ti

g'Z1§!.1Q~.!.

ft

610.10~.kc

a

l/char

g

e.

1639.10 • "

3

467.10 • e:2l6.10

3 •

UIt:

{x

'

.f It = 9,8

••

11 R =.i6,B Totaal =.2§~§ ton/charge. n Ll In: ~tH'

=

enthal ie

st~

om

~~,B.I03

o

.

kcal/char

g

e

.

=

₌

Totaal

₌

Uit:

..

, ; r~), ) \ :"- \ /' • ' j _{J i'} 1

.

'

• r Uit: _RHR (G'

H

I

l;

Enthalpie water 15500 Totaal 2~_~Q!1~~_Y~Q_~~_hQQf~Q1Q~~_ Materiaalbalans: In: L" := è~~:!:2=ton/charge . Energiebalans: In: Uit: L .... ~t

~~~~.~pie stoom~~~

)

Totääl

KH

G~H'G

Enthalpie water 150°C Totaal = l856,0.10§.kcal/ charge. j6 5616,8.10 " :::: 1486,0.103 "

=

~2

~

~

:!

§

~

103

"

Uit: K = 74,6 ton/ charge. :GU = 39,3 1.' := 5.62l.10§.kcal/charge. =24.142.10 . ft = 6.366.103• ti

=2§

!.

1'l2!.lQ~

!.

1t

De hoeveelheden damp G die in de reboiler gevormd worden kunnen worden berekend aangezien de hoeveelheid warmte die in de reboiler moet worden

toegevoegd uit de energiebalans over de hele kolom bekend is. Deelt men deze warmtehoeveelheid n.l . door de verdampingswarmte van het te verdampen

product dan verkrijgt men de hoeveelheid damp die ontstaat. De hoeveel

-heid vloeistof die de reboiler binnen komt L wordt dan gevonden uit een st·)f balans over de reboiler .

Literatuur:

I . ~neral information about furfural. Bulletin 201,Quaker Oats Company. II.J .F.v.Oss,enC.J .v.Ossafarenken..nis en technologie. 111, (1957) .

III •. Kirk-O~hmer,Encyclo~edia of ?hemical technology,6 IV.Kllleger.lnd.Eng.Chem2-.18.L (19.c:.6) .

V. J .H.Perry: Chemical engineers handbook,(1950) ,Mc Graw Hill Book Comp. VI.Fysical data on furfural:Bulletin 203,Quaker Oats Company.

VII.F.B.La.Forge ,G.H.Mains:Ind • Eng.CiLem.

1.2

,(1923)'. VIII. International Critical Tables. 5

IX. Fysical data on Q.O.furfural.Bu1Ietin 203A,QuakerOats Company. X. H.J.Brown1ee: Ind.Eng.Chemi 19 , (1927).

XI.F.B.La.Forge ,enG.H.Mains:lnd.Eng.Chem.

2

,

August. 1927. XII.H.Kramers: Collegedictaat Fysische WerkWijzenI.

XIII.E.F.Boon: Collegeoverzicht chemische werktuigen T.

~ XV. Ind.Eng.Chem. ,47, (1955) . v . ...,/ . IV XVI.J.FErment.Techn;[japan),21, (1953).

XVIII.Current Uses of furfuraï":Bulletin 204~Quaker Qat ompany. XIX.Chemical engin~ering progress,44, (1948).

7

,. ... .. , I .,'"" ~ / I. ".:.. .... :

,

.

/ . t · .' ,

,

.

.

:,

• , , I 1 ! ! .~ I ,. r \ .1. , I

.. :;

.

_.

.