TU Delft Technische Universiteit Delft

.~ ...

December 1992

.lrti

T

U

Delft

Technische Universiteit Delft

Opwerking van Penicilline-G

G-Groep najaar 1992

POTASSlUM PENICILLIN-G

Harmful Nocif Nocivo Nocivo Schadelijk

(ANTIBIOTIC)

Sensibilisierung durch Einatmen mäglich. May cause sensitization by inhalation.

Peut entraÎner une sensibilisation par inhalation. Puä provocare sensibilizzazione per inalazione. Puede provocar sensibilización al inhalarse. Kan overgevoeligheid veroorzaken bij inademing.

Staub nicht einatmen. Do not breathe dust

Ne pas respirer les poussières. Non respirare Ie polveri. No inhalar el producta. Stof niet inademen.

Faculteit der Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek

Vakgroep Proces en Energie

Rapport G-Groep najaar'92

Lab. Apparatenbouw Procesindustrie TUDelft, december 1992.

BULAGEN

Inhoudsopgave bijlagen

Inhoudsopgave Bijlagen

Bijlagen algemeen

B1.1 Stofgegevens

B 1. 2 Penicilline-afbraak model

Bijlagen hoofdstuk 3. Klassieke proces B3.2 Vloeistof-vloeistof extractie

B3.2.1 Koekfiltratie

B3.2.2 Theoretische stof overdracht in de extractor B3.2.3 Berekening koelmachine

B3.3 Ontkleuring

B3.3.1 Datasheet Norit B3.3.2 Listing Matlab B3.3.3 Stabiliteit

B3.3.4 Specificatie Norit ROX 0,8 B3.3.5 Filterberekening

B3.4 Kristallisatie

B3.4.1 Berekening plugflowreactor B3.4.2 Berekening settler en recycle

B3.4.3 Iteratie vervuilingen in recycle m. b. v. Turbo Pascal B3.4.4 Dimensionering kristalfilter

B3.5 Drogen en wassen

B3.5.1 De massabalans voor de was/droogsectie B3.5.2 Dimensionering wassectie

B3.5.3 Dimensionering droog sectie B3.5.4 Randapparatuur

B3.5.4.1 Vermogensberekening van pompen B3.5.4.2 Vermogens van de roerder

B3.5.4.3 De warmtewisselaar

Bijlagen hoofdstuk 4. Reactieve extractie B4.A Theorie omgekeerde osmose B4.B Theorie reactieve extractie

B4.C Ontwerpberekening van de extractor B4.D Ontwerpberekening van de reëxtractor B4.E Kristallisatie uit water

B4.F Kristallisatie uit ButylAcetaat B4.G Pascalprogramma voor extractie

Bijlagen hoofdstuk 5. Adsorptie

B5.5.A Mathcad file procesdimensionering

B5.5.A Listing simulatie met evenwichtsgelimiteerd model B5.5.C Listing simulatie met poriediffusie model

B5.5.D Listing simulatie met gecombineerd model B5.6 Cloete-Streat kolom

Stofeigenschappen. p (kg/m3) ,., (pa.s) H20 998.5 7.64*10-4 HPen mycelium zouten fenylazijnzuur BuAc LA-2 KPen KAc HAc butanol DITDA zwavelzuur waarbij: Q (kg/m3) f7 (pa.s) a (Nim) m (gimol) Oplosbaarheden 881 6.87*10-4 839 70*10-3 1569 1047 1.29*10-3 809 2.948*10-3 830 34*10-3 1800

=

de dichtheid bij 20°C

=

de viscositeit bij 20 ° C

=

de oppervlaktespanning

=

het molgewicht a (NIm) m (gimol) 72.75*10-3 18 334.1 136.14 27.43*10-3 116.1 372 372.5 98.2 60.05 74.12 381 98.08

Stoffen Oplosbaarheid in water Oplosbaarheid in BuAc

(gil) (gil)

HPen afhankelijk van pH

-KPen 400 0

KAc 2560 0

-- ---~

Bijlagen Algemeen: Penicilline Afbraak Model VERTROUWELUK

Bijlage Penicilline-atbraak model

Aangezien de extractie en adsorptie nogal pH-afhankelijk zijn, is het van belang de afbraak van penicilline daarbij te bestuderen. De afbraak van penicilline is alleen van belang bij zeer grote tijden (bij neutrale pH en kamertemperatuur in de orde van honderden uren), of bij lage of hoge pH. Voornamelijk de afbraak bij lage pH is van belang. Juist bij lage pH is de extractiecapaciteit veel groter, maar de afbraaksnelheid ook.

Voor de afbraak wordt aangenomen dat dit een Ie orde reactie is. De halfwaardetijd als functie van pH en temperatuur kan in de literatuur gevonden worden. Het model is dan:

In [penG] kt

[penG]o (5.2-2)

Hierin is [penG] de concentratie van penicilline op tijdstip t en is k de reactiesnelheidsconstante. De halfwaardetijd tl/2 is gegeven en dus geldt dat:

Dus de concentratie actief penicilline na een verblijf tijd t is: t [penG] = [penG]o *exp« -ln2)-)

tI

h

(5.2-3)

(5.2-4)

De halfwaardetijd is als vanzelfsprekend een functie van de pH. Deze staat weergegeven in figuur Bijl.A-l.

Voorbeeld 1:

bij lOoe en pH 3 is t1/2 =8 h en is [penG]/[penG]o = 0.995 op t=0.25 h Voorbeeld 2:

bij 24 oe en pH 3 is t1/2 =2.33 h en is [penG]/[penG]o = 0.93 op t=0.25 h Voorbeeld 3:

bij lOoe en pH 3.5 is t1f2 =9 h [penG]/[penG]o = 0.96 op t=0.5 h

336 312 288 264 240 :! 216 ~ .2 192 .5 168

•

!

144 120 96 72 48 24

FIG. 10. EFFECT OF pH ON TIME REQUIRED TO DECOMPOSE 50 PER CENT OF CRYSTALLINE PENICILLIN IN ÁQUEOUS SOLUTION AT 24 AND 37 C

-pH 2.0 3.0 4.0 5.0 5.5 5.8 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0 10.0 11.0 TABLE 1

The effect of pH and temperature on the half-life of penicillin

(time in hours to inactivate 50 per cent) .

oe 10 C 24 C 5.2 1.28 0.283 32.52 8.2 2.33 . 259.2 68.4 13.2 2,000· 458.4 107.2

-

-

--

-

318

-

-

356

-

- 290.5

-

- 252 -

-

ISO

-

-

122.4

-

- 36.0

-

-

9.7 -

_-

1.7 • Estimated. 37 e

-67.2 85.2 99 90.0 81.6 61.2 29.8

-fig. Bijl.A-l Halfwaardetijd van penicilline als functie van pH en temperatuur. Uit: Benedict, R.G. ,e.a., Penicillin ill. The stability of penicillin in aqeous solutions, Journ.of Bact. 49 (1945) 85-95

Het blijkt dus van wezenlijk belang te zijn om de pH niet al te laag te kiezen, en/of de verblijf tijd bij lage pH klein te houden.

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELTJK

3.2.1 Koekfiltratie

Bij filtratie wordt gebruik gemaakt van een medium dat doorlaatbaar is voor het fluidum en ondoorlaatbaar voor in het fluidum gesuspendeerde deeltjes. Bij koekfiltratie bestaat het medium uit een membraan met een geringe stromingsweerstand. De openingen in dit medium moeten juist even kleiner zijn dan de afmeting van de kleinste deeltjes die moeten worden tegengehouden (fig. B3.2-1).

!suspenSie

. .

Koek

Medium

Fig. B3.2-] Mechanisme koekfiltratie

3.2.1.1 De roterend vacuümband mter (fig. B3.2-2)

In principe bestaat een roterend vacuümband filter uit een draaiende trommel die deels ondergedompeld is in een slurry. Deze slurry bevindt zich in een opvangbak. In deze bak wordt er geroerd met een roerarm om te voorkomen dat de vaste stoffen in de slurry neerslaan. Het filter oppervlak is in secties verdeeld, die verbonden zijn met het vacuüm systeem door middel van filtraat pijpen en automatische kleppen.

De trommel is bedekt met een filtermedium, dat wordt ondersteund door een rooster. Het filtraat wordt door het medium gezogen door het vacuüm en de vaste stoffen slaan op het medium neer. Tijdens elke rotatie van de trommel wordt het filterkoek eerst gewassen, waarna het wordt gedroogd en van het medium verwijdert. Afhankelijk van de dikte en de samenstelling van de koek, zijn er verschillende mogelijkheden om de koek van het medium te verwijderen.

Afhankelijk van het proces is, hetzij de koek, hetzij het filtraat het te winnen produkt.

r

I

kO.k, VI.rZadiC)d

m.t wasvlo •• stof

Fig. B3.2-2 Roterend vacuümbandfilter 3.2.2.2 Filtratie berekeningen

Er moet per uur een hoeveelheid filtraat worden afgefilterd. In dat filtraat bevindt zich een hoeveelheid slurry, dat zich afzet op het medium als koek. Vanuit deze hoeveelheden en een aantal bekende filtratie formules, wordt het filter langzamerhand doorgerekend. Daarna kan men, rekening houdend met gegevens uit de praktijk, het filter dimensione-ren.

Formules

Volgens de wet van Darcy voor incompressibele koeken is het filtraat debiet recht evenredig met het oppervlak en het drukverschil en omgekeerd evenredig met de viscosi-teit en de totale weerstand.

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

(3.2.1)

Voor de totale weerstand geldt dat hij vrijwel gelijk is aan de weerstand van de koek, aangezien de weerstand van het medium te verwaarlozen is. Voor de weerstand van de koek geldt:

Waarin:

w is de massa gedeponeerde koek per eenheid filteroppervlak (kg/m2 )

0: is de specifieke koekweerstand (m/kg)

Voor de specifieke koekweerstand geldt:

a= 1 (mi kg)

ps'(l-e) 'K

Waarin:

Ps is de dichtheid van de vaste stof (kg/m3 )

e is de gemiddelde porositeit van de koek (-) K is de permeabiliteit van de koek (m2

)

(3.2-2)

De permeabiliteit van de koek kan men met behulp van de Kozeny-Carman vergelijking uitrekenen:

(3.2-4)

Waarin: d_p is de diameter van de deeltjes (m) cp is de vormfactor (-)

Voor de bepaling van de vormfactor worden de vormen in drie algemene categorieën

ondergebracht, namelijk bol-, naald- en plaatvormig. De vormfactor is afhankelijk van X. Dit is de verhouding van de grootste en de kleinste afmeting.

I

Categorie

I

Vormfactor

I

bolvormig 1 2 naaldvormig _{1,30. x} 3 .!+x 2 4 plaatvormig 1,30· x 3 .!·X2_+X 2 Dimensionering

Voor de dimensionering voert men een denkbeeldige batch filtratie uit. Normaliter is de onderdompeling van een roterend vacuumband filter tussen de 10% en 40 % van het totale filteroppervlak. De onderdompelingstijd moet minimaal 15 seconden bedragen, om tot een redelijke koekaangroei te komen. Aangenomen wordt dat deze koekaangroei lineair ver-loopt. Uitgaande van een hoeveelheid koek die zich per uur per oppervlakte eenheid op de koek moet afzetten, kan men een verband vinden tussen de hoeksnelheid, de diameter en de breedte van het filter, en de dikte van de hoek. Voor de hoeksnelheid kan men met behulp van de vorige gegevens een redelijke schatting maken.

Samen met de bovenstaande formules kan men de dikte van de koek uitrekenen. En aan de hand van gegevens uit de praktijk kan men een redelijke aanname maken voor de breedte en de diameter van het filter.

Rendement

Het rendement is afhankelijk van de hoeveelheid wasvloeistof. Het rendement van het gehele filter is dan een gewogen volumetrisch gemiddelde van het rendement van het gedeelte vóór de wassectie, die 100% is, en het rendement van de wassectie zelf. Het rendement van deze wassectie kan bepaald worden aan de hand van figuur B3.2-3.

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces

.,. Filtraat dol achlt'rblijft in li Ih·r ko.k ___ ., , ·t:~-:~ - -._- -,--

--_.+~ , , I I 100 , _{:'-...' I} i ; _{! i'\.} I ,; _I I

!

~

Corr.c.ti. factor voor R v

i

I

i

i

-5 , ,OOg,.,.

~

r::

,

~k,

; .... f30p ... ,

I

I I ! i I ~ 2

I

,--r--_--~ _~ !

_i

i I .~~r:_:=--10 1 , ! : I

.

I 0.1 02 0,5 1 2 5 10 20 50 10 , _{Y. filtraat in filtf'rko.k _}

T

i

, ₁ poromtt •. :~ i

,

\\ " wa,vloti~tot I I ! , i , _~ \\ \. !

I

i :

_!

_,

\\ ""-..l

, _:

1

I , 11,

\\\~

R.rdring.n. diffusi. ; i i: ,-- : ,

- w.

.

,

'ill

:

1\\)<

I'- d p= x ,micron zuiv.r _Yf!'rdrin9~n : ~ ~ 2.0 I

I

1 !

Ir

~

I l ! I I , , , ,

- +

, , ' 'H _{:~_~}

_'

_"

, , _{, 'I ~ ...} : ,

,

- --j... '-.! ;"

- i _{- i I}

tt+

_{I--- :-... """I. ! i"-:.·I r--.... ,}

I :

i

i:

'I'

rf~~"~

; I

i

i

I i i

~J

i I , 1 ; ; I ~ " I--...

r--..i---.

I ,

il

i

i

I

I ' ~~t

Tl

u

l

i

I

R volum" wasvlo.istol

'I

• = tra'ili. vIO.\ Sl~t 1'1' ~~.k 0.1 0.1 1,0 ₁₀

Fig. B3.2-3 het wassen vanfilterkoeken

3.2-5

VERTROUWELIJK

3.2.2 Theoretische stofoverdracht in de extractor

In deze bijlage wordt gekeken naar de mogelijkheid om het extractieproces zoals zich dat over de schotels afspeelt en de problemen die daarbij optreden. De subscripten c en d staan respectievelijk voor de continue en disperse fase.

Vooraleerst maakt men een schatting van de nominale druppelgrootte waarmee de disperse, zware fase door de continue fase naar de buitenkant van' de rotor beweegt. Gekeken wordt op de plaats waar PI zich bevindt. Dit is een concentrische schotel op 0,4 m. van de as, met 2280 perforaties die een diameter hebben van 0,31 cm ..

De totale stroom door de extractor gaat is 12,540 m3_{/h. Dit komt overeen met 3,483.10"03}

m3_{/s= 3,483 lis. Dat wil zeggen dat door elke ring 3,483 lis gaat. De nominale}

druppel-diameter (d) valt te berekenen uit:

d = 9,0

Waarin:

u= 14.10-03 _{Nim, grensvlakspanning tussen butylacetaat (BA) en water, dichtheid water=}

1000 kg/m3 , dichtheid BA= 877 kg/m3, de macht van KLZ= 1,32, het dimensieloze

vloeistofkental, mag worden genomen, r de straal= 0,4, en omega de hoeksnelheid, 2100 tlmin= 220 rad/s.

Dit levert d= 7,423.10-04 _m.

Als men uitgaat van starre deeltjes, wat een realistische aanname is, kan men vervolgens kentallen uitrekenen waarmee de figuren B3.2-4 en B3.2-5 kunnen worden afgelezen.

Bijlage hoofdstuk 3 Hel klassieke proces

I

10

I

10

Fig. B3.2-4 Verband tussen d* en v*

v v* = _ t VI

met

v _I = d

*

= -È. me t d

=

d I I 3

~l1, ~

dJtlpp.~

ia.

Wt

V(oWto~

j

~:

f

0/5

\0'2.

3.2-7 VERTROUWELIJK \01.;

0* = 0 1 lOr-~--~~r-~--~-+--~--~-r

__

~

__

~4 \

la

o

\0

Fig. B3.2-5 Verband tussen

á

en v·

druppels

Ut,

eeyt,

v~~to~

j

~: ~

2-d,*

De viscositeiten van butylacetaat en water zijn respectievelijk 0,67.10-03 _{Nm/s en 1.10-}03 Nm/s.

Dit levert uiteindelijk een valsnelheid, vt= 1,201 mis.

Voor de stof overdracht vanuit of naar starre druppels zonder circulatie geldt een Sher-wood getal van:

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces

(Deze vergelijking is alleen geldig als Sc~ I en 1. 102 _{$;Re < 1.1()5)} Voor het Reynoldsgetal geldt:

PcdVt;

Re = = 1137 ,6

"c

V oor het getal van Schmidt geldt: Sc =

"c

=

764

pc!J

VERTROUWELIJK

Waarin D= 1.10-09 _m2_{/s, de diffusiecoëfficient van penicilline in BA. Dit geeft een}

Sherwood waarde van Sh= 205,50. Nu is

Sh = Kd D

Waaruit volgt dat de stofoverdracht K= 2,768.10-04 •

Vervolgens bepaalt men het getal van Biot:

Bi' = ex dK = 9781

D

Dit is een grote waarde waarvan me zegt dat hij nadert naar oneindig. Als men nu stelt dat de grensvlak concentratie constant is en er continue fase in overvloed is dan kan men aan de hand van figuur B3.2-6 de overgedragen fractie E aflezen. Daarvoor is alleen nog het getal van Fourrier een onbekende. Dit getal is afuankelijk van de contacttijd. De holdup van de rotor is 220 1. en het debiet 3,483 lis. Dat wil zeggen dat de gemiddelde verblijftijd 63 seconden is. Dit is niet de tijd dat de stoffen ook daadwerkelijk met elkaar in contact zijn; deze is door de zeer ingewikkelde loop van de stromen door de extractor niet te berekenen. Baker Perkins, de makers van de Podbielniak extractor, adviseert om met de helft van de doorlooptijd te werken en zodoende een vrij grove schatting te doen. Met 31 sec. wordt het Four ier- getal:

,

gJ/qq

I

~/

~Jyrv?~;p

Fo

=

Dt

=

0,0562

d2

/ '

(/';101

f

(

flANf

Uit figuur B3.2-6 volgt dan E= 0,72.

Î/Y"v

Deze waarde is noodgedwongen gebaseerd op een groot aantal aannamen omdat men niet weet hoe het proces exact verloopt in de praktijk. De druppeldiameter zal afhankelijk van de plaats in de rotor verschillen en hetzelfde geldt voor de centrifugaalkracht en vloeistof-snelheden en daarmee de stofoverdracht. Het contact tussen de fasen zal niet overal optimaal zijn en bovendien neemt de overdrachtscoëfficient af met de tijd. Er wordt in feite geen rekening gehouden met het herhaaldelijk coaguleren en weer dispergeren bij elke schotel. Ook zijn er zeer veel valse stromen in het apparaat aanwezig en bovendien vindt er ook axiale menging plaats.

Baker Perkins stelt dat het haalbaar is om met twee extractoren in serie een rendement van 99 % te verwezenlijken.

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces

.~

0/3

....u

\1

J.

~

&

]

(!') '" J lS~--~~8 ~---r~----~---r----~---~ ~ ()

Fig. B3.2-6 Verband Fourier en overdracht

3.2-11

3.2.3 Berekening koelmachine

In het diagram voor R-22 (figuur B3.2-1) is het kringproces van de koelmachine gete-kend. Deze koelmachine dient ervoor om de waterige stroom van 10,5 m3 _{af te koelen} van 20°C tot 4°C. De condensatietemperatuur bedraagt 39°C, het vloeibare koudemiddel wordt onderkoeld tot 35°C; de verdampingstemperatuur is O°C. De condensor gebruikt als warmteput koelwater met T = lrC, dat verwarmd wordt tot 22°C. Voor het isentropisch rendement wordt de reële waarde van 0,75 aangenomen.

= 277-293 = 285 K

In( 277) 293

Als gemiddelde put-temperatuur kan de temperatuur van het koelwater genomen worden, d.w.z. 17°C.

10,5.103•_{4 2·(277-293)} = -195,1 k

3600 '

Uit het diagram voor R -22 kan men de waarden van de toestandsgrootheden in de punten l..4 afleiden.

DI

h

I

s

I

kJ/kg kJ/kg*K 1 446 1,79 2 244 1,00 3 244 1,15 4 405 1,75

Met behulp van deze gegevens kan men de massastroom van het koudemiddel berekenen. Dit levert:

mI

= Qv = 1,21 kg/s

h₄-h₃

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

Uit deze waarde volgen dan de compressorarbeid en de hoeveelheid warmte geleverd door de condensor.

w_eomp

=

m_Zo(h₁-h₄)

=

49,6 kw

Zodoende kan men de benodigede hoeveelheid koelwater bereken, met behulp van:

Oput = -Oe = mputOCputo(Tb-Ta) = mput04,2°(295-290) = 244,4 kw

Uit deze vergelijking volgt dat f ir gelijk is aan 11,6 kg/s.

Dit betekent dat voor de koeling van de waterige vloeistof uiteindelijk 42 m3 _koelwater

nodig is.

Bijlage 3.3 Ontkleuring _VER1ROUWELUK

Bijlage 3.3-1: Datasheets Powdered Activated Carbons Norit

NORIT Cl POWDERED ACTIVATED CARBONS

Norit CAt, CGt and CNt are chemically activated carbons manufactured by the phosphoric acid process. These carbons combine a very high adsorptive capacity with excellent filtration characteristics, and are designed to be effective in acid and neutral media. They exhibit a B.E.T. surface area of approxirnately 1400 m2_{/g and a consolidated bulk density of 300 g/litre.}

They are especially suitable

tor

purification and decolourisation

ot

pharmaceuticals and fine chemicais.

Specifications

Methylene Blue Adsorption pH range Moisture Content Phosphate (P04) Iron (Fe) Calcium (Ca)

Typical Analyses

g/100g min % max % max ppm. max ppm. max Moisture Content % Molasses Number

Acid Soluble Matter %

Particle Size Analyses by Laser Diffraction

greater than 75 /Lm %

greater than 10 /Lm %

dso /Lm

Notes

Typical analyses are an ave rage of current analysis figures. All specification data using NO RIT UK TEST METHODS.

Phosphate, Iron and Calcium are measured in HCI extract.

CAl

25.0 2.0-3.5 15.0 3.5 150 200 11 180 2.5 20 90 40

CGl

25.0 3.5-6.0 15.0 3.5 150 200 11 180 2.5 20 90 40

NORIT Cl carbons meet the requirements of the U.S. Food Chemicals Codex (3rd ed., 1981).

This data sheet (Issue 0991)-replaces previous issues.

Packing

CNl

25.0 5.5-8.0 15.0 3.5 150 200 11 180 3.5 20 90 40

Norit Cl carbons are supplied in valve sealed multiply paper bags, with a polythene outer shrink wrap, containing 15kg net, shrinkwrapped on 1100 x 1100 x 2000mm pallets, containing 48 bags.

Pacl<ing in 5 and 10 kg (dispersable) bags is also possible-details will be given on request.

PROPERTJES RELATJNG TO STORAGE AND HANDLJNG OF

NORIT C CARBONS (UN. No. 1362)

Toxicity

Non taxie - as with any nuisance dust, exposure should be adequately controlled and an Occupational Exposure Standard (OES) of 10 mg/m3 _{per 8 hour TWA * should be observed.}

UK HSE Guidance Notes EH21 and EH40 refer.

*T.W.A. = Time Weighted Average.

Dust Explosibility

Carbons have been tested by the Fire Research Station U.K. who have reported that they are classified as group (b) dusts in the explosibility test. A group (b) dust does not ignite and propagate flame in the explosibility apparatus.

Fire Risk

All carbons and carbonaceous materials will bum under certain cohdibons and Norit chemically activated carbons are no exception. Norit chemically activated carbons' however, are not highly inflammable and

packaging in polythene shrink-wraps eliminates any potential self heating hazard. Norit chemically activated carbons can therefore be safely stared in any normal storage area, but away from sources of direct heat and naked flames.

In the event of a fire, extinguish with a water spray, do not use a water jet.

Dealing

With

Spillages

No particular precautions are recommended. The carbon can be swept up, vacuumed or washed away.

It is advisable to provide the operative concemed with goggles and a simp Ie face mask.

France

Nori! France S.a.r.1.

Centre d'Affaires Paris·Nord Le Continental. B.P. 214 93153 Le Blanc Mesnil Telephone 33·1-45910808 Telex 232024 ltaly Nont Italia S.p.A. Via Rotendi 8 20145 Milano Telephone 39·2-48004713 Telex 353636 Fax 39·2·48012262 Delgium

S.A. Nori! Belgium N.V.

Avenue de Beaulieu 25 1160 Brussels Telephone 32·2·6750645 Telex 25530 Fax 32·2·6751119 Japan Norit (Japan).Co. Ltd. PMC Building 4F 1·23·5. Higashi·Azabu Minate Ku. Toyko 106 Telephone 81·3·35821467 Telex 22831

..

- - -

-Bijlage 3.3 Ontkleuring VERTROUWELUK

NORIT SX PLUS

Powdered activated carbon

NORIT SX PLUS is an acid-washed steam activated carbon with a high adsorptive capacity. This carbon is especially suitable

for decolourisation and purification of pharmaceuticals, fine chemicals and food produets requiring application of high purity additives.

NORIT SX PLUS meets the requirements of the u.S. Food Chemi-cals Codex (3rd edition, 1981)

SPECIFICATION 1)

Molasses number Moisture (as packed) HCI solubles Ca (acid extractable) Fe (acid extractable) CU (acid extractable) GENERAL CHARACTERISTICS 2) a) Typical analysis Molasses number

Methylene blue adsorption Moisture (as packed)

HCI solubles Ca (acid extractable) Fe (acid extractable) Mg (acid extractable) CU (acid extractable) CI-(acid extractable) Ash content pH

1), 2): See overleaf "NOTES".

b) Other characteristics

Bulk density (tamped) Internal surface area

(B.E. T. ) H₂0 solubles

Particle size > 150 micron

[ % ] [ % ] [ppm] [ppm] [ppm] [ % ] [ % ] [ % ] [ppm] [ppm] [ppm] [ppm] [ % ] [ % ] [gil] [mZ/g] [ % ] [ % ] max. max. max. max. max. max. 245 10 1.0 200 200 10 225 20 8 0.5 150 100 100 5 0.2 6 7 300 1000 0.3 3

Packing: Valve sealed multiply paper bags containing 15 kg.

48 bags on a pallet 115 x 115 x 200 (appr.) cm, shrinkwrapped. Gross weight 75,5 kg.

Net weight 720 kg. 3.3-3

~

W

W

I

~

~

o

~

-

_~

o

z

NORIT SX 1

Powdered activated carbon

NORIT SX 1 is an acid-washed steam activated carbon with a high adsorptive capacity. This carbon is espècially suitable for decolourisation and purification of pharmaceuticals, fine chemicals and food products requiring application of high purity additives.

NORIT SX 1 meets the requirements of the

u.s.

Food Chemicals Codex (3rd edition, 1981)

SPECIFICATION 1)

Molasses number Moisture (as packed) HCl solubles

Ca (acid extractable) Fe (acid extractable) Cu (acid extractable) GENE RAL CHARACTERISTICS 2)

a) Typical analysis Molasses number

Methylene blue adsorption Moisture (as packed)

HCl solubles Ca (acid extractable) Fe (acid extractable) Mg (acid extractable) Cu (acid extractable) Cl-(acid extractable) Ash content pH

1), 2): See overleaf "NOTES". b) Other characteristics

Bulk density (tamped) Internal surface area

(B.E.T.) H₂₀ solubles

Partiele size > 150 micron Filtrability [ % ] [ % ] [ppm] 'tppm) rppm] [ % ] [ % ] [ % ] [ppm] [ppm] [ppm] [ppm] [ % ] [ % ] [gil] [m2/g] [ % ] [ % ] [KPa] max. max. max. max. max. max. 310 10 1.0 200 200 10 280 16 8 0.5 150 100 100 5 0.2 5 7 370 900 0.3 3 500

Packing: Valve sealed multiply paper bags containing 15 kg. 56 bags on a pallet 115 x 115 x 200 (appr.) cm, shrinkwrapped. Gross weight 875 kg.

Net weight 840 kg.

~

W

W

I

~

~

o

I--

_~

o

z

Bijlage 3.3 Ontkleuring _VER1ROUWELUK

NOTES

1) Analysis based on Norit Testing Methods.

2) For general information only and not to be used as pur-chase specifications!

Analysis based on Norit Testing Methods.

a) Typical analysis figures are average figures based on the last two years of production.

b) Indicative properties only. Ash contains 60-70% SiOz.

Norit preserves the z::ight to adjust its testingmethods when necessary.

This datasheet replaces previous issues.

Bijlage 3.3-2: Matlab programma voor Decay curves

%Matlab progrm. voor Decay Curve m.b.v. Runga-Kutta. clc; clear; clg; echo off; format short; %const yeh=O.132; m=9.59; v=2.5; dpore=2.8e-ll; r=40e-6; kf=le-5; rho=2.25e3; co=O.4; %afg.const. bi=(kf*r)jdpore; ch=m*yehj(v*co); staptijd=input('stapgr. in min ='); staptau=co*dpore*staptijd*60j(rho*yeh*rA2) ; aantstap=input('aantal tijd stappen ='); tauplus=O; etaplus=O; tijdgrafiek=[O]; concgrafiek=[co]; %progr. for i=l:aantstap, tau=tauplus; eta=etaplus; etain=eta; kl=staptau*3*(1-ch*etain)*(1-etain)A(lj3)j(1-(1-ljbi)*(1-etain)A(lj3»; etain=eta+O.5*kl; k2=staptau*3*(1-ch*etain)*(1-etain)A(lj3)j(1-(1-ljbi)*(1-etain)A(lj3»; etain=eta+O.5*k2; k3=staptau*3*(1-ch*etain)*(1-etain)A(lj3)j(1-(1-ljbi)*(1-etain)A(lj3»; etain=eta+k3; -k4=staptau*3*(1-ch*etain)*(1-etain)A(lj3)j(1-(1-ljbi)*(1-etain)A(lj3»; tauplus=tau+staptau; etaplus=eta+lj6*(kl+2*k2+2*k3+k4) ; tijd=tauplus*rho*yeh*r A2j(co*dpore*60) ; ct=co-co*ch*etaplus; tijdgrafiek=[tijdgrafiek tijd]; concgrafiek=[concgrafiek ct]; end;

Bijlage 3.3 Ontkleuring

axis ( [0 240 0 O. 5] ) ;

plot(tijdgrafiek,concgrafiek) ;

text(160,O.46,['m = , ,num2str(m),' kg']);

text(160,0.43,['Ye,h

=

',num2str(yeh),' kg/kg']); text(160,0.40,['Kf = , , num2str(kf) " mis']);

text(160,0.37,['Dpore

=

',num2str(dpore),' mA_2/s']); text(l,0.03,['Cuit = 0.03 kg/mA 3

'J);

text(l,0.4,['Cin = 0.4 kg/mA 3']); xlabel('tijd in min.'); ylabel('ct in kg/mA _3'); %EINDE end 3.3-7 VER1ROUWELUK

é

ï§

t: Q) +-' +-' 0 0 .... bO 0.. cQ +-' en ~ cQ 6 ·2

·

6

Bijlage 3.3-3: Stabiliteitsberekening

Als men een numeriek programma als Runga-Kutta gebruikt moet men altijd aandacht besteden aan de stabiliteit. Vooral de eventuele instabiliteit voor wat betreft de randvoor-waarden moet onderzocht worden. Bij het countercurrent proces volgt de randvoorwaarde in eerste instantie uit een eerdere numerieke oplossing met behulp van Runga-Kutta. Een kleine fout in deze randvoorwaarde mag niet versterkt worden en moet het liefst uit dempen.

Het boek 'Numeriek wiskunde voor technici', van J. van Kan beschrijft een methode om de maximale toelaatbare stapgrootte te berekenen, waarbij het systeem nog net stabiel blijft.

In onder staande figuur is deze maximale stapgrootte uitgezet als funktie van de tijd.

50.---.---~---.---.---.---, 45 40 35 30 25 20 15 10 5 00 _{5 10 15 20 25} tijd in min.

Onze berekeningen zijn uitgevoerd met een stapgrootte die kleiner waren dan één minuut, zodat stabiliteit gewaarborgd is voor wat betreft de randvoorwaarden.

Bijlage 3.3 Ontkleuring VER1ROUWELUK

Bijlage 3.3-4: Datasheet Granular Carbon Norit

NOR 1 T R 0 X 0,8 GRANULAR ACTIVATED CARBON

NORIT ROX 0,8 is an acid-washed, extruded granular carbon that can be used in a large range of applications in which a carbon with a high purity is required. This carbon can be used in carbon columns in fixed bed or moving bed systems. NORIT ROX 0,8 is especially suitable for decolourisation and purification of glucose and dextrose syrups, High Fructose Syrup (isoglucose syrup), nylon salts and organic and inor-ganic acids.

TYPICAL ANALYSIS METHOD OF ANALYSIS

Bulk density (tarnped) (g/l) 410 ASTM 2854-83

Moisture (as packed) (t) 2 ASTM 2867-83

Ash content (%) 3 ASTM 2866-83

Molasses Number 320 NORIT Method

Methylene Blue

adsorption (g/lOOg) 21 NORIT Method

Iodine adsorption (mg/g) 1050 AWWA B 604-74

Internal suface area

(B.E.T. ) (m2/g) 900

Total po re volume (ml/g) 1.0

Acid-extractable matter (t) 0.8 NORIT Method

BalI Pan hardness (t) 92 ASTM Proposal

pH (normal range) 4-7 NORIT Method

Calcium (Ca) (%) 0.02 NORIT Method

Iron (Fe) (%) 0.02 NORIT Method

NOTES

Typical analyses are the average analysis figures based on the last two years of production.

All data using NORIT TESTING METHOOS.

NORIT ROX 0,8 meets the U.S. Food Chemicals Codex (3rd Edition, 1981).

This datasheet replaces previous issues.

3.3-9

~

W

W

I

~

~

o

I---

_~

o

z

PACKING

NORIT ROX 0,8 can be supplied in valve sealed multiply paper bags, containing 20 kg of activated carbon.

In order to invoid damage during transport or handling, NORIT will supply unit loads of 40 bags, stretchwrapped on 115 x 115 cm pallets or box pallets. NORIT ROX 0,8 can also be supplied in bulk.

ADSORPTlVE PROPERTIES

Because of the presence of a highly developed transitional and microporestructure NORIT ROX 0,8 has excellent characte-ristics for the adsorption of both large molecules, such as dark colour compounds and small molecules, such as light colour compounds, colour precursors in glucose syrups (e.g. hydroxy-methyl-furfural) and odour molecules.

PURITY

By washing with acid, followed by a water washing, a granu-lar carbon of a high purity is obtained. contamination of the purified products with undesirable components, such as calcium, iron etc. as a result of the activated carbon treatment is thus reduced to the minimum.

GRANULOMETRY

As a result of the constant particle diameter of 0.8 mm of the extruded carbon particles, a standard sieve analysis of NORIT ROX 0.8 is not applicable. The regular shape of the carbon particles ensures an optimal packing of the carbon bed, resulting in a low flow-resistance. Below the typical pressure drop figures of water at 20°C (lcP) and a 40· Brix glucose syrup at 80·C (2cP) are given.

REACTIVATION

Because of its hardness, NORIT ROX 0,8 can be thermally reactivated af ter exhaustion, with the minimum of carbon losses. The reactivation can be carried out in kilns on-site or at one of NORIT's reactivation centers, depending on the di stance between the client and the factory and on the

Bijlage 3.3 Ontkleuring VER1ROUWELUK

Bijlage 3.3-5 : Dimensionering actieve koolfilter

In deze bijlage zal het actieve koolfilter worden gedimensioneerd. In bijlage 3.2-1 is zo'n filter al eerder besproken en berekend. Deze berekening is daarmee vergelijkbaar en zal daarom beknopt zijn.

ingaande stroom (12) wasstroom (13) BuAc water penicilline BuAc : 1595 kg/h : 39 kg/h : 391.21 kg/h : 803 kg/h

met droge-stof gehalte van 80 % worden de uitgaande stromen

afgewerkte kool (14) naar kristallisatie (15) BuAc penicilline kool BuAc water penicilline : 6,75 kg/h : 0,21 kg/h : 25,25 kg/h : 2391.25 kg/h : 39 kg/h : 391 kg/h

De permeabiliteit van de koek kan worden berekend met behulp van de Kozeny-Carman vergelijking:

hierin is ~ : diameter van de deeltjes

e : gemiddelde porositeit van de koek q,: vormfactor

Voor bolvormige deeltjes geldt een vormfactor van 1. Voor e nemen we het natte-stof gehalte van de koek, 0.20.

Diameter van de deeltjes is 80 J..'m.

invullen levert : K = 4444.10-_, 12 _m2

Hiermee kan de specifieke koekweerstand worden uitgerekend:

ex

=

1

ps'(l-e) 'K

invullen met P. is de dichtheid van de vaste stof (2250 kg/m3),geeft :

ex = 125-106 _m/kg

Nu kan de weerstand van de koek worden berekend, met w is de massa gedeponeerde koek per eenheid filteroppervlak.

hierin is w= x

o .

25"1t -D-B'n x : aantal kg koek; 32 kg/h D : diameter trommel B : breedte trommel

n : aantal omwentelingen per uur

0_25: gedeelte van het oppervlak dat ondergedompeld is Omdat

R"

=:: ~ kunnen we deze twee vergelijkingen substitueren in de volgende:

dV kllp 0 _ 25-n-D-B-n-llP

=

=

---:----dt J.L"Rc WRc

met dP : drukverschil, neem 0_5 bar

IJ. : viscositeit, 0_ 82 . 10-3 dV : volume filtraat V (0 _ 25 "1t-D-B-n) 2-11P (1) 3600 ~-x-a. verder geldt: m3_koek (l-e) -0 _ 25 -n -D-E'n-O _ 5'd (2) = uur

Aangezien dY-koek en dY-filtraat bekend zijn, hebben we nu twee vergelijkingen met 4 onbekenden: D,B,n en d_ In beide vergelijkingen staat echter de term (DBn) zodat substitutie mogelijk is_

uit (1) volgt: DBn =:: 17,48 m2/h

invullen in (2) geeft de waarde voor d, de koekdikte_ d =:: 2,6 mm

Kiezen we nu een draaisnelheid van 50 omwentelingen per uur, dan kan een filter worden gekozen met een diameter van 850 mm en een lengte (breedte) van 760 mm_ Deze filter wordt geleverd door de firma AMA-filter [8].

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VER TROUWE LUK

BULAGE 3.4-1 : Berekening plug-flow reactor (kristallisatie)

Deze bijlage bevat twee berekeningen: stof overdracht (eerste deelstap) en kristalgroei (derde deelstap). Van de reactie zelf (tweede deel) wordt aangenomen dat deze verblijftijd verwaarloosbaar is ten opzichte van de andere twee onderdelen.

variabelen:

ft : aantal waterdruppels per tijdseenheid n : totaal aantal waterdruppels in tank

k : stofoverdrachtscoëfficiënt penzuur A : faseoppervlak

Sh : Sherwood=2 (aangestroomde bol) p : dichtheid

c : concentratie penzuur

~v : volumedebiet in

~ m : massadebiet in

D : Diffusiecoëfficiënt penzuur =:; 10-9 ddr : diameter van een waterdruppel = 100

T : verblijf tijd (druppels én bulk)

[drupp/h] [drupp] [m/h] of [mts]

[m

2] [-] [kg/m3 ] [kg/m3 ] [m3/h] [kg/hl [m2_/s] [sJ [jLm]

eerste deel : stofoverdracht penzuur van BuAc-bulk naar waterdruppels

# KAc/water-oplossing: 4> = 4>m = il.!:..d ... _3 v P 6 <.U # ... il = _ _ _ 4_9_. 4_3_4 _ _ _ #

# concentratiegradiënt bovenin de kristallisator lil

A

c-c

C - C - pen

=

u - bulk - drupp - bulk - . .

mw mBA + -Pw PBA B3.4-1 390.342 =140.54kg 49.434 + 2392.45 m3 1000 877

# gemiddelde concentratie L C

=

f

c'dl :::: %C1=0

=

70.27

[~~]

laO # penzuur: 4> =k·A'fl.c - A= 390.342 = 77.15 [m2 ] m . 7.2'10-2_*70.27 # A = n-rt dd./ - n= 77 .15

=

2.46 '109 _[drupp] 1t (100 -1 0 -6) 2

# voor stofoverdracht nodige verblijf tijd van druppels in de kolom

't= n= 2.46'109 = 0.026 [hl = 1.6 [min]

n

9.441-1010

derde deel : kristalgroei na nuc1eatie

Kristalgroeisnelheid G = 10-7 _{mis (aanname),}

dus groeien tot 100 JLm

=

10-4 m kost 1000 sec

=

16.7 min

volumedebietbulk (BuAc): 4> = 4>m = 2392

=

2.73 [ m3 ]

v p 877 h

Totale verblijf tijd: 1.6

+

16.7 = 18.3 minuten.

Benodigd reactorvolume V: ~v'7 = 2.73·(18.3/60) = 0.833 m3 •

Extra marge voor fluctuaties en voor turbulent roeren van 20 % geeft 1.00 m3.

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELUK

BIJLAGE 3.4-2 Berekening settler in recycle

dimensionering volgens [1], inkomende stroom is (20). BuAc flow rate 2301.537 kg/h, dichtheid 878 kg/m3

, viscositeit 7 ·10-4

Water flow rate (dispers) 39.220 kg/h, dichtheid 1000 kg/m3, viscositeit 1.10-3

water is disperse fase.

Pc : dichtheid continue fase [kg/m3 ]

Pd : dichtheid disperse fase [kg/m3 ]

dd : druppel diameter [m]

U_{d : valsnelheid van de disperse fase druppels} [mis] U_{c : snelheid van de continue fase} [mis]

Lc : volume debiet van continue fase [m3/s]

Ai : contact oppervlak [m2 ]

J.l.c : viscositeit van continue fase [Pa. s] g : zwaartekracht [mi S2]

Bij een druppelgrootte van 100 J.l.m geldt voor de valsnelheid

d2 _{"g"(p -p )}

u = d d c

d 18"l-1_c

invullen geeft U_d

=

9.343 ·10-4 mis =0.9343 mm/s

Omdat de flow rate laag is gebruik je een verticaal, cylindrisch vat.

L

=

2301. 537 ._1_

=

7.28'10-4 _{m3 / s} c 878 3600 7.28'10-4 0.93 "10-3 B3.4-3 = 0.783

m

2 (10)

r =

~

o.

:83 :: 0.50 m

diameter = 1.00 m

neem de hoogte als twee maal de diameter, een redelijke waarde voor een cylinder. hoogte

= 2.00 m

neem de dispersie band als 10 procent van de hoogte = 0.200 m check nu de verblijf tijd van de druppels in de dispersie band

0.200 0.200

=

=

=

214 s

=

3.6

min

ud 0.934'10-3

Dit is een bevredigende waarde aangezien normaal gesproken een tijd van 2 tot 5 minuten wordt aanbevolen. Controleer nu de afmeting van de BuAc druppels die met de zware fase (water) zouden kunnen worden meegevoerd.

snelheid van wa ter fase

=

39.220 1 1

=

1.39 '10-5 _mis

1000 3600 0.783

d -_{d -} Ud'18'~c

g' (Pd-P_{c )} de meegenomen druppelgrootte zal dan zijn:

= 1.39

'10-5

'18'7 '10-4 = 11.86

9.81~20 ~m

deze waarde is laag genoeg, immers kleiner dan 100 J-tm

piping arrangement

Om entrainment door de jet van binnenkomende vloeistof te voorkomen, moet de ingangssnelheid van de settler beneden 1

mis

worden gehouden.

Neem de positie van de interface als halverwege de hoogte van het vat and laat de lichte fase uitgang op 90 procent van de hoogte zijn, dan zijn:

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces _{VERTROUWELIJK} flow-ra te = [2457.85 + 57.79] ._1_ = 7.956'10-4 m3/s 878 998 3600 area of pipe = 7.934. 10 -4 = 7.934'10-4 _m2 1 pipe diameter ZI

=

0.9*2.00

=

1.80 m Z3 = 0.5*2.00 = 1.00 m

=

~

~ = (zc~)*p/ Pd

+

Z3 = 1. 70 m

Zie voor het voorgestelde ontwerp :tig B3.4.l :

light liquid take~ff

- ,

" - - - Interface -,--t7';rh''':/.,r,.:/.,< i-"1l--Feed

11'---..../

= 0.0318 mi neem 35 mm '" ... ---l_...I.-_ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ ....!-- Datum B3.4-5

BULAGE 3.4-3 Iteratie vervuilingen in recycle met behulp van Thrbo Pascal

Met behulp van een zelfgeschreven Turbo Pascal routine is bekeken hoe de vervuilingen zich gedragen bij de recycle. Na enig nadenken bleek dat geen aparte purge hoefde te worden toegepast, aangezien de BuAc-stroom deze functie met verve vervulde. De purge staat dus op O. Bij dit programma hebben wij de volgende waarden genomen:

(Onderstaande waarden bij pH ::::: 3 en temperatuur "'" 20°C)

- verdelingscoëfficiënt HAc over waterlBuAc "'" 0.4

- verdelingscoëfficiënt phenyl-azijnzuur over waterlBuAc "'" 40 - droge-stof gehalte kristalkoek

=

80 %

Hieronder staan een uitdraai van het programma en een uitdraai van de resultaten

~:~ - 1.16700 ~~. ' .. ' .... ): ..•. : r-ti::'.C .~ .. ₁ M 222(,1 T·:::: .. h2C , .. - 1 r: 22~·73 .; ,....!I""'jn-,.~ .:. 11' .;::,,.::. .... ; - . / • '{::' ::::",-hac: 1" 22·473 1 1;,2247:; ... ,-", ,~ "-',::~ •• ' : ' : 'pO " L.'· ... '.-' 1 Ol 22lt73 h2.C -.- ",.. .: .••• .. :::.~ i,_. " __ " i~ hac

=

1.22473 +~ . 00000000000000E+OOOO B3.4-6

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces

var

i,k,n:integer;

hac,faz:array[1 .. 11,0 .. 20) of real;

rvf,vchac, vcfaz ,verschilh,verschilf,reachac,purge:real ; begin

[* met deze pascal routine worden de ophopingen van Hac en phenyl-azijzuur in de uitgaande stroom van de kristallisator bepaald.

hierbij worden de volgende variabelen gebruikt:

VERTROUWELIJK hac[i,k) faz[i,k) rvf vchac vcfaz verschil reachac purge

hoeveelheid HAc in stroom i op tijdstip k [kmol)

hoeveelheid phenyl-azijzuur in stroom i op tijdstip k [kmol] molfractie vloeistof die in de "natte" stroom gaat

verdelingscoefficient van HAc over waterjBUAc

verdelingscoefficient van phenyl-azijnzuur over waterjBUAc [h of f] verschil tussen laatste 2 iteraties

hoeveelheid-HAc dat onstaat in kristallisator [kmol)

fractie van de stroom (a) die je purge-t *)

reachac:=1.167 ; verschilf:=O; verschilh:=O; purge:=O; rvf:=o.962; vchac:=O.049; vcfaz:=0.0005; hac[ 1, 0) :=0; hac[2,0]:=0; faZ[1,O]:=0.096; faZ[2,O) :=0; hac[3,0]:=hac[1,O)+hac[2,0]+reachac; faz[3,0]:=faz[l,O]+faz[2,O]; writeln;

writeln('O hac = ',hac(3,O):7:5,' faz ',faz(3,O] :7:5); for i:=1 to 10 do begin end; haC[2,i]:=hac[3,i-1]*rvf*vchac*(1-purge}; faZ[2,i]:=faz[3,i-1]*rvf*vcfaz*(1-purge}; hac[3,i):=hac(2,i)+reachac; faz[3,i]:=faz[2,i)+faz[1,0];

writeln(i,' hac = ',hac[3,i):7:5,' faz verschilh:=hac(3,i]-hac[3,i-1]; verschilf:=faz[3,i)-faz(3,i-l); writeln; writeln(verschilh,' ',verschilf); B3.4-7 , ,faz[3,i] :7:5};

Bijlage 3.4-4 : Dimensionering kristalfiter

In deze bijlage zal het kristalfilter worden gedimensioneerd. In bijlage 3.2-1 is zo'n filter al eerder besproken en berekend. Deze berekening is daarmee vergelijkbaar en zal daarom beknopt zijn.

ingaande stroom (19) BuAc : 2392.450 kg/h water : 88.655 kg/h Kpen(s): 429.841 kg/h Kpen(o): 19.774 kg/h

met droge-stof gehalte van 80 % worden de uitgaande stromen

kristalkoek (21) moederloog (20) BuAc : water : Kpen(s): Kpen(o): 90.913 kg/h 3.369 kg/h 429.841 kg/h 1.348 kg/h BuAc : 2301.537 kg/h water : 85.286 kg/h Kpen(o): 18.426 kg/h

De permeabiliteit van de koek kan worden berekend met behulp van de Kozeny-Carman vergelijking:

hierin is dp : diameter van de deeltjes

E : gemiddelde porositeit van de koek

q, : vorm factor

Voor naaldvormige deeltjes met een lengte-diameter verhouding van 4, geldt een vormfactor van 0.688. Voor e nemen we het natte-stof gehalte van de koek, 0.20. Diameter van de deeltjes is 25 JLm.

invullen levert : K = 5.0468· 10-13 _m2

Hiermee kan de specifieke koekweerstand worden uitgerekend: invullen met Ps is de dichtheid van de vaste stof (2000 kg/m3

),geeft :

Bijlage hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

a

=

1

ei = 1.2384.109 m/kg

Nu kan de weerstand van de koek worden berekend, met w is de massa gedeponeerde koek per eenheid filteroppervlak.

hierin is

w

=

x

o

° 2 S "1t °DoBon

x : aantal kg kristal produkt, 4290841 kg/h D : diameter trommel

B : breedte trommel

n : aantal omwentelingen per uur

0025: gedeelte van het oppervlak dat ondergedompeld is

Omdat

Re ::::::

~ kunnen we deze twee vergelijkingen substitueren in de volgende:

met

verder geldt:

dV k!:..P 0 ° 2S °rr.°DoBon°!:..P

= =

dt ~ORt; ~ORt;

dP : drukverschil, neem 005 bar

IJ. : viscositeit, 008.10-3

dV : volume filtraat

_v_

=

(002S°rr.°DoBon)20!:..P

3600 wxoa

m3_kristal

uur

= (l-e) °0 ° 2S°1t°DoBonoO ° Sod

Aangezien dY-kristallen en dY-filtraat bekend zijn, hebben we nu twee vergelijkingen met 4 onbekenden: D,B,n en do In beide vergelijkingen staat echter de term (DBn) zodat substitutie mogelijk iso

uit (2) volgt: DBn "'" 193

m

2_/h

invullen in (3) geeft de waarde voor d, de koekdikte. d :::::: 3.5 mm

Kiezen we nu een draaisnelheid van 50 omwentelingen per uur, dan kan een filter worden gekozen met een diameter van 2060 mm en een lengte (breedte) van 2280 mmo Deze filter wordt geleverd door de firma AMA-filter [8].

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

3.5 Wassen en drogen

3.5.1 De massabalans voor de was-droogsectie

21 filter koek

22

meng BuOH

kg/h kmollh mol % kg/h kmollh mol '10

pen k(s) 429.841 1.154 52.64 pen k(o) 1.348 0.004 0.18 afbr.zout 4.405 0.012 5.47 H₂0 3.369 0.187 8.53 BuAc 90.913 0.783 35.72 HAc 2.697 0.045 2.05 KAc 0.448 0.005 0.23 Phen.az. 0.496 0.004 0.18 BuOH 855.365 11.54 100 Totaal 533.517 2.192 100 855.365 11.54 100

I

123 kristal slurry ₁24 was BuOH

I

1 1 kg/h

I

kmollh

I

mol%

I

kg/h 1 kmollh

I

mol%

I

pen k(s) 429.841 1.154 8.40 pen k(o) 1.348 0.004 0.03 afbr.zout 4.405 0.012 0.09 H₂0 3.369 0.187 1.36 BuAc 90.913 0.783 5.70 HAc 2.697 0.045 0.33 KAc 0.448 0.005 0.04 Phen.az. 0.496 0.004 0.03 BuOH 855.365 lL54 84.04 1017.857 13.732 100 1 Totaal ₁ 1388.882

I

13.732 1100.00 11017.857 113.732' _{1 100}

I

3.5-1

25

BuOH M.loog

26

gewas. krist.

kg/h kmol/h mol % kg/h kmol/h mol

pen k(s) 0.0 0.0 0.0 429.841 1.154 31.40 pen k(o) 1.348 0.004 0.02 0.0 0.0 0.01 afbr.zout 2.203 0.006 0.03 2.203 0.006 0.16 H20 3.032 0.168 0.71 0.337 0.019 0.52 BuAc 81.822 0.704 2.97 9.091 0.078 2.13 HAc 2.427 0.040 0.17 0.270 0.004 0.14 KAc 0.403 0.004 0.02 0.045 0.001 0.01 Phen.az. 0.447 0.003 0.01 0.05 0.001 0.01 BuOH 1685.90 22.744 96.07 187.322 2.527 65.62

I

Totaal 1 1777.581 1 23.674 1 100.0 1629.159 13.789 1 100.0

I

27 eind pro-dukt kg/h kmol/h mol % pen k(s) 429.841 1.154 99.49 afbr.zout 2.203 0.006 0.51 Totaal 432.044 1.16 100.0 3.5-2

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

3.5.2 Dimensionering wassectie

De slurry komt met de volgende samenstelling uit het roervat (stroom 23):

I

wasstroom

I

[kg/hl pen k (s) 429.841 pen k (0) 1.348 afbraakzout 4.405 H20 3.369 BuAc 90.913 HAc 2.697 KAc 0.448 Phen.az. 0.496 BuOH 855.365

I

Totaal 11388.882 was-butano1(24) = 13.732 kmol/h = 1017.857 kg/h Voor een konstante druk filtratie geldt uit [11]:

dt a*p.*c p.*Rm -- = ---

*

V

+

----dV A2*~p A*~p met t = tijd s V = volume m3 a = soortelijke weerstand m/kg p. = viskositeit Ns/m2

c = concentratie vaste deeltjes kg/m3

A = oppervlak (wasfront) m2

~p = drukverschil over de koek N/m2 Rm = de koekweerstand

integratie van deze vergelijking geeft

3.5-3

I

[kmol/h] 1.154 0.004 0.012 0.187 0.783 0.045 0.005 0.004 11.54

I

13.732 VERTROUWELllK 1

I

ex*p.*c JL*Rm

t = ---

*

V2

+ ---

*

V 2*A2Clp A*Clp

De permeabiliteit van de koek K (m2

) wordt weergegeven door de

Kozeny-Carman vergelijking: 1 e3 ~2 K

= --

* --- *

--18 (l-e)2 <I>

met e = gemiddelde porositeit

~

= deeltjesdiameter (m)

<I>

= de vormfactor

De soortelijke weerstand ex heeft het volgende verband met de permeabiliteit K 1

ex =

---s.m_s *(l-e)*K

met S.ffis

=

soortelijke massa vaste deeltjes kg/m3 De vormfactor <1>:

voor een fijn poreus materiaal is

<I>

=

10 een goede schatting e

= 0.4 (aangenomen)

dp

= 100 p.m

= 0.0001 m

Hiermee wordt de permeabiliteit - K = 9.8766*10-12

met s.m

=

403 kg/m3 _{(pen) wordt de soortelijke weerstand}

1

ex = --- = 4. 1873

*

108

403*0.9*9.8766*10-12

de concentratie c volgt uit de verhouding massa vaste deeltjes

c = ---volume koek

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

1.154 * 372.5

c = ---= 193. 84 kgf m3

1.154 * 372.5 / 403

+

12.58 *74.12 / 810 De viskositeit van butanol volgt uit

IJ. = 0.01 * vs.m

met s.m = 810 kg/m3 - IJ. = 0.2846*1O-3Ns/m2

De koekweerstand Rm = 109 _(aangenomen)

Het oppervlak A

=

l*b - b = 1.5 m - A = 1.5*1 m2 Het drukverschil 6p = 1 - 0.012 = 0.988 bar

Het filtraat - 26.31 kmol/h (slurry(23)

+

wasbutano1(24) - kristallen) Mb=74.12 gr/mol en s.m=810 kg/m

3

Een batch nemen we aan duurt 12 hr.

Voor t=432oo - V = 12*26.31 * 74.12 I 810 = 24.789 m3 Invullen van de gegevens in de verg. geeft

4.1873*108 _*0.2846*10-3_*193.84 43200 = --- * 26.312

+

2*2.25*12*0.988*lOS 0.2846* 10-3_{* 10}9_*26.31 1.5*1*0.988*105 De waslengte 1 = 1.1 Om VERTROUWELUK

Deze lengte wordt met een correctiefactor 2 vermenigvuldigd vanwege vroegtijdige doorbraak van het wasfront. Dit is o.a. het gevolg van onregelmatige koekopbouw, waarbij soms zelf scheuren optreden.

Met de correctiefactor wordt de waslengte 1=2*1.10=2.20m. De wastijd wordt zodoende 2200 : 7.9

=

278 s = 4.6 min.

3.5.3 Dimensionering droogsectie

drogen met lucht

I

I

[kmol/h]

I

[kg/hl BuOH 2.527 187.322 HAc 0.004 0.27 BuAc 0.078 9.091 H₂

0

0.019 0.337 Phen.az. 0.001 0.05 Totaal. 2.629 197.07

verontr.totaal = 2.629 kmol/h = 197.07 kg/h (95.1 % BuOH)

** We gaan uit van enkel BuOH als totale verontreiniging

1558.19 BuOH log pO=7. 838-

---t+ 196.881

met po= dampspanning in mmHg t =temperatuur in °C

Maximale temperatuur 29°C. (BuOH-explosiegrens [13]) Voor t= 25°C is pO= 6.5 mmHg= 8.7 mbar

Voor t= 29°C Is pO= 8.7 mmHg=11.6 mbar

Enthalpie-balans

** Butanol opwarmen van 25 naar 29°C

302.15 Qb = R *[3.266*T + O. 209*T2 -0. 074 7*1O-3 T3 + 1.17125* 10-8_*r] 298.15 met R=8.314 J/mol.K - Qb=3651.7127 J/mol.

** Verdampingswarmte Hn=A*(l-Tr)k

met k=B+C*Tr

3.5-6

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK Voor BuOH: Tc=562.92 K en T=25+273=298 K - Tr=0.529 A=6.54 *107 B= 1.211 *10-1 C=3.286*1O-1 - Hn=5.2377*1<t J/mol

** lucht van 80 naar 2goC

353.15 Ql=R*[3.355*T+0.2815*10-3_*T2_+0.016*1OS*11

]

302.15 met R=8.314 J/mol- Ql=1496.0927 J/mol

** benodigde luchthoeveelheid Butanolflow ipb=2.629 kmollh

Warmtebalans - ipb*(Q,+dHn)=ipJ*QJ H. u. v .luchtflow

ipJ =2629*(3651. 7127 + 52377)/1496.0927 =98.46 kmol/h met MJ=28.8 gr/mol- ipJ=2835.5 kg/h=0.7876 kg/s Rekenmodel: gecombineerd warmte en massa transport (uit [12])

** Verdampingswarmte Hn=52377 J/mol BuOH-flow ipb=2.629 kmollh

** BuOH-warmte ~=ipb *Hn =2. 629*5.2377*1<t/3600 =38.250 kJ/s ** soortelijke warmte BuOH Cp

Cp=A + B*T+C*T2

₊

_D*T3 A =8.93*10" B=652.9 C=-3.78 D=8.657*1O-3 T=(29+80)12=54.5°C=327.5 K - Cp=202 J/mol K ** Drukverschil Pw-Pg Pw-Pg

_{_________ _ ________________ *}

R*T*Cp*s.m :Le_2/3 Tg-Tw Hn 3.5-7

T=gemiddelde temperatuur 80 en 29"C - T=54.5+273=327.5 K R=8.314 J/mol K

s.m BuOH = 810 kg/m3

** Lewis getal Le=aJD

temperatuurvereffeningscoëff.a =.JJ / s. m *Cp .JJ = warmtegeleidingscoëff. _ .JJ = A + B *T A= 2.1087*10-1 B = -1. 9216* 10-4 T=302 K - .JJ =0.1528 WIm K met s.m=810 kg/m3 Cp=202 J/mol K - a=0.9*1O~ m2_/s Diffusiecoëff.BuOH D=8.8*1O~ m2_{1 s} Lewis-getal - Le=O.1023 Drukverschil Pw-Pg=9.55*1<t N/m2

** BuOH-transport per opp.eenheid

a*(pw-Pg) cf>b = --- = 0.034 mol/m2_s +-Cp*s.m*Le2_/3_*R*T voor a=35 W/m2_K (aangenomen)

massaflow BuOH ~b=2629 mol/h = 0.730 molls

met b=1.5 m - 1=14.3 m

voor de zekerheid neem 25 % extra bandlengte. Hiermee wordt de bandlengte 18 m.

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

** De bandsnelheid

bandbreedte b = 1.5 m

laagdikte pen (droog) d = 2.5 cm (aangenomen)

laagdoorsnede b*d=1.5*0.025=0.0375 m2

pen-flow = 429.841 kg/h

s.m pen = 403 kg/m3 - flow = 1.067 m3/h = 296.28 cm3/s

bandsnelheid v = 296.28*10-6/0.0375 = 7.66*10-3 _{mis = 7.9 mm/s}

** De droogtijd (verblijf tijd)

l=v*t 1= 18 m

v= 7.9 mm/s - t=2278 s = 38.0 min.

3.5-9

3.5.4 Randapparatuur

3.5.4.1 Vermogensberekening van pompen

Het butanolpompvermogen [3] Clp*Qp p= --- [Watt]

î\,

met Clp = drukverschil N/m2 Qp = volumedebiet m3_{1 s} Îi = pomprendement

Het moederloogvolume bedraagt 1777.581 kg/h .We gaan uit van enkel butanol. Soortelij-ke massa butanol is 810 kg/m3

• Hiermee wordt de volumestroom:

Qp = 1777.581: 810 : 3600 = 6.096*1~ m3_/s.

Öp = 1 - 0.012 = 0.988 bar.

Voor het pomprendement nemen we 0.75.

Invullen van deze gegevens geeft een vermogen van 80.3 Watt.

De Luchtvacuümpomp Uit [16] : voor vacuümpompen: 97.2 Pu 0.285 Nv

=

---* Sg

*

p* {(---) -I} 0.75 P

met Nv = pompvermogen in watt

P = inlaatdruk in bar, hier 0.012 bar P u = atmosferische druk in bar, hier 1 bar Sg = Lucht en butanolflow in m3_/hr Îip = 0.75 (pomprendement)

«p)= 0.7876 kg/sec = 0.7876/1.29 = 0.611 m3_/sec

«Pb= 2.629 kmol/hr*74.12(Molmassa)= 194.9 kg/hr

We nemen voor de dichtheid van de butanoldamp de luchtdichtheid -194.9 kg/hr = 151.1 m3_/hr

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

Hiermee wordt de flow door de pomp

Sg=0.611 *3600

+

151.1 = 2350.7 m3_/hr

Het pompvermogen:

97.2 1 0.285

Nv= ---- * 2350.7 * 0.012 * [(---) -1] = 9239 Watt.

0.75 0.012

Het vermogen van de butanolpomp kan onttrokken worden aan het veel grotere vermogen van de luchtvacuümpomp.

3.5.4.2 Vermogensberekening van de Roerder De volgende vergelijking komt uit [3]

waarin P Nv

= vermogensgetal

= ---D5_*N3_*s.m D2 *N*s.m Re = Reynoldsgetal = ---JL Nv = vermogensgetal

P = het asvermogen Watt s.m = soortelijke massa kg/m3

JL = viscositeit Ns/m2

N = roerder toerental S·l

D = roerder diameter m g

= zwaartekrachtversnelling 9.8

mI S2

Deze vergelijking is weergegeven in onderstaande figuur.

100 plO O/OT

"-

Curve I 1·80·30 ,"\ _Curve 2 1·40·33 "\ Curve 3 1:00,33

'\

Curve 4 1·0 0-40 10

1

""

~ N

~

_~

I

₁ F:::~~

_'"

8::::

r-

!0-1 1" ₂ [\.3 6 o ·1 10 R e

-FIG. 10.58. Power correlation for single three-bladed propellers baffled, (from Uhl and Gray (1967) with permission). p = blade pitch, D = impeller diameter, DT = tank diameter

Figuur 3_5-6 Met het Re-getal is het vermogen vastgelegd. Het Reynoldsgetal:

De tankdiameter DT = 0.65 m.

voor een verhouding D/DT = 0.4 wordt D = 0.26 m.

Het toerental voor het mengen van suspensies ligt tussen 350 en 420 rpm. We nemen 380

rpm oftewel N

=

380/60 = 6.33 rps.

Voor het bepalen van de s.m gaan we uit van de stoffen die het grootste deel van de

slurry (23) uitmaken n.l.

Bijlage Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

I

I

mas~p&c.

I

wort,=~

[kg/m~ penk 30.95 403 BuAc 6.55 900 BuOH 61.61 810 Totaal slurry

Voor de viscositeit geldt:

IJ. = 0.01 * Vs.m

met s.m = 682.72 kg/m3 _{wordt IJ. = 0.261 mPa.s}

Voor het Reynoldsgetal volgt

0.262_*6.33*703.48 Re = --- = 1.11

*

106 0.265*10-3 VERTROUWELIJK

I

bijdrage [kg/m3]

I

0.3095*403= 124.73 0.0655*900= 58.95 0.6161 *810= 499.04 s.m = 682.72

met extrapoleren in figuur 3.5.6 volgt voor Nv = 0.3

Het roervermogen P = Nv * D5 * N3 *s.m met de gevonden data P = 61. 7 Watt

3.5.4.3 De Warmtewisselaar

De hete lucht die aangevoerd wordt om de butanol op te nemen, verkrijgt zijn warmte uit een warmteoverdracht in een warmtewisselaar met stoom. De lucht wordt uit de omge-ving aangevoerd met temperatuur 200 C en wordt door de stoom op een temperatuur van

800 _{C gebracht. De stoom komt binnen met een druk van 15 bar en een corresponderende}

temperatuur van 384.52 K. De stoom heeft, nadat het zijn warmte aan de lucht overgedra-gen heeft, een druk van 7 bar en temperatuur van 363.15 K.

We gaan nu een enthalpiebalans opstellen om achtereenvolgens de benodigde luchtstroom en de benodigde stoom stroom te berekenen. We hebben bij deze berekening de enthalpie-verandering van de butanol zonder verontreinigingen als uitgangspunt genomen, omdat de enthalpieveranderingen van de verontreinigingen maar een klein gedeelte van het totaal zijn en stofgegevens ontbreken.

De butanol verdampt bij 250 _{C en bereikt een hoogste temperatuur van 29}0

C. Dit maximum wordt in [13] gesteld vanwege explosiegevaar.

De luchtstroom die hieruit berekend kan worden (zie elders) bedraagt 0.7876 kg/s.

Nu dan de Stoom-Lucht balans [8]: 384.52 Qs= R[3.470T

+

0.5*1.450*lo-3-f2 - 0.121 *lOS'1I] 363.15 = 728.21909 J/mol

Lucht

van

20° C

naar

800 C:

353.15 Q.= R[3.355T

+

0.2875*1O-3_T2

₊

_0.016*105_'11 ] 293.15 = 1758.6 J/mol dMs * Qs = dM. * Q. dM = molstroom

Molmassa Lucht= 28.8 g/mol (0.8 N₂

+

0.2 O₂₎ dMs * 728.21909 = 0.7876*3600*28.8-1_*1758.6

dM.= 237.75 kmol/hr= 1.370 kg/s Molmassa stoom= 18.015 g/mol

Bijlage hoofdstuk 4 Reactieve extractie

Bijlagen Hoofdstuk 4 Reactieve extractie

Inhoudsopgave

4A Omgekeerde osmose 4A.l Toepassing 4A.2 Osmotische druk 4A.3 Apparaatkeuze

4AA Fysisch en mechanisch ontwerp 4A.5 Bespreking

4B Theorie reactieve diffusie

4C Ontwerp berekeningen van de extractiekolom 4C.1 Dimensionering

4C.2 Fysisch model volgens Reschke 4C.2.1 Doel en aannames 4C.2.2 . Modelstructuur

4D Ontwerp berekeningen van de terugextractiekolom 4D.1 Dimensionering

4D.2 Fysisch model volgens Reschke 4E Kristallisatie uit water

4F Kristallisatie uit butylacetaat 4G Pascalprogramma voor extractie 4 H Massabalans en processchema

4-1