Produktie van sorbinezuur

(1)

Verslag behorende

..

bij het fabrieksvoorontwerp

van

... ~ ... : ... ~Ç.~1.~ .. _c;!~n_J!~!..i_tl.&

.. ~g

... ~:. __ c;!~ .• ~r.y.i:n

________

.

onderwerp:

Produktie van sorbinezuur

... \

...•....•...•...

:

... .

adres:

Hugo de Grootstraat 37, Delft

opdrachtdatum:

maart 1973

(2)

n

·n

I

··1'»2"M·

~

...

PRODUKrUE VAN SORBINEZUUR

Adressen

VERSLAG BEHORENDE BIJ HET FABRIEKSVOOnON'L'yJERP

VAN

G.L. den

Haring en

H. de Bruin

G.L.

den Hz.ring

Hugo de Grootstraat

37 Delft

H. de Bruin

Roland Holstlaan

157

Delft

(3)

l:

n

1.

2.

,.1.1.

'.L2.

,.1.3.

,.1.

4. ,.L

5. '.L 6.

3.2. ,.2.1.

,.2.2.

,.,.

). '.L

3.3.2. 3.).3.

3.3.4. ,.,.5.

).3.6.

3.4.

4.

4.1.

5.2. 5·3.

5.4.

5.5.

5.6.

6.

6.1.

6.1.1. 6.1.2.,

INHOUDSOPGAVE Samenvatting

· ..

.

...

Inleiding

Uitgangspunten voor het

· ...

.

. . . .

.

. . . .

.

..

.

_.

_'

_...

...

' ontwerp

· ... .

Grondstoffen •••••••••••

.

· ...

.

Crotonaldehyde

. .

.

. .

.

. .

.

· ... .

Keteen •••••••

· ..

· ....

• . . . 0 Katalysatoren

· ... .

· .

· ..

• • • • • 0 • Tolueen Water

...

.

...

-

...

.

. .

.

. . .

.

..

. . . .

..

. .

· ... .

_{• ••} Aceton

. .

.

. .. .

.... ..

.

. . . .

.

. .

.

. . . .

.

. .

.

. .

.

...

Hulpmiddelen stoom ••••

· ...

· ... .

· ...

'

.. .

.

....•...•.

Koelwater

· ... .

...

Fysische konstanten ••••• Crotonaldehyde ••••••

.

· ... .

.

...

.

rro1ueen Keteen

.

... .

...

..

.

. . .

.

. .

.

...

• • • • • • " Cl • • • Azijnzuuranhydride Polyester Sorbinezuur

.

. .

.

. .

.

Korrosiviteit

.

. .

.

. .

• • e , • • • • • •

.

. . .

.

. .

.

...

· ....

· ... .

....

, , • • • • • • • • • 0

...

Beschrijving van het proces

Het flowdiagram

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 0 • • • •

...

• 0 • •

... .

...

F1exabi1iteit van het proces

In en uit bedrijfstellcn van de installatie

· ... .

.

...

.

...

Procesgegevens

De temperatuur

...

De druk •.••.••••••••

.

...•....•.•.•....••...•

Kata1ysatordo~eringen

.

. . .

.

. . .

.

...

.

. .

..

...

.

... .

• •

· ...

...

.

. . .

...

Konversie •••••• Warmteproduktie •••••••••••• Samenvatting procesgegevens

Ontwerp van de apparatuur

...

Reaktorberekeningen

.

• . . . e . . . .

.

. .

. . .

.

. . .

.

. .

. . . .

.

. .

.

• .

Reaktor Rl Berekeningen ••••

· ...

.

...

pag. 1 2

,

3

4

5

6 6

7

8 9

9

10 10 12 12

12

13

14

15

(4)

['

n

6.1.4.

6.1.4.1.

6.1.4.2.

6.1.5.

6.1.5.1.

6.1.5.2.

6.1.6.

6.107.

6.1.7.1.

6.1.7.2.

6.1.8.

6.1.8.1.

6.1.8.2.

6.2.

6.2.1.

6.2.1.1.

6.2.1.2.

6.2.2.

6.2.2.1.

6.2.2.2.

6.2.3.

6.2.3.1.

6.2.3.2.

6.3.

6.3.1.

6.3.2.

6.3.3.

6.3.4.

6.3.5.

6.3.6.

6.4.

6.4.1.

6.4.2.

6.5.

6.5.1.

6.5.2.

Temperatuurst~ging in de reaktor

...

, , ,

....

Materiaalkeuze en Cylinderwanddikte

.

l~ronten •••••• Aansluitingen Toevoerleidingen Afvoerleidingen wanddikten ••••

.

-

, ,

,

, " ,

,

, , ,

.

,

.

, ,

..

,

, ,

, .," , ,

.

,

....

,

.

,

..

,

..

,

..

,

·

"

...

.

,

...

,

. ·

,

...

"

.

'

...

~

....

"

...

· ..

...

"

... .

...

.... , • • • • , , co • • •

· .

'

.

'

...

,

"

.

,

...

.

Reaktoren Ra en R9 Materiaalkeuze en wanddikten

....

"

....

"

...

,

...

,

.

"

..

· .

,

...

,

.... .

.

"

..

Cylinderwanddikte • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • •• • • • 0 • • Fronten • • • • • " • • • • • • • • • • c • " • • • •

...

Aansluitingen

. .

"

...

.

..

.

"

....

· ..

.

..

"

...

..

Toevoerleidingen ••••••••••••••••

· ... .

,

....

• • Afvoerleidingen Berekening van de Warmte balans over

· .

,

... .

destillatiekolom T

₆

de destillatiekolom

.

..

. .

.

,

.

"

...

,

...

, ~

..

• • • " Cl • • • , • • • • • • • " , • Reboiler

.

· ..

"

.

· ...

Kondensor

.

,

.

"

...

'

... .

· ..

'

... .

· ..

Materiaalkeuze en wanddikten

· ... .

• • • e * • • • • • • • • • Cylinderwanddikte • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 6 • • • • • • • • • • e- , • Fronten

.

. . . .

.

. .

. . . .

.

'

..

Aansluitingen Toevoerleidingen Afvoerleidingen

· ...

.

. .

.

. .

.

til • • • • • • • • • • • •

...

'

... .

· ... .

· ..

• • • • • • • • • 0 • • • • • • •

.

. . .

.

. ·

...

Warmtewisselaarberekeningen ••

.

... .

• • ~~ • • • • • ·~ • • • • • • P • • • • • • • • • • • • • • • • Warmtewisselaar H2 Warmtewisselaar R3 Warmtewisselaar H

4

Warmtewisselaar H5 ••••••••••••••

...

~~

.••...

~

...

~

...

• • • • • • • • • • ' ~ • • 0 • • '.' . . . '

...

· ...

.

. .

Warmtewisselaar HIO •• Warmtewisselaars in de reaktoren R8

.

. .

· ...

.

... .

...

Kristallisatoren •••

.

. .

.

. .

.

... .

Kristallisator Kristallisator Filters ••••••••• • • • • • • • • • • 0 • • • • • -• • • • • • • ' . . . '

...

• • • • , • • • • • • 0 • • • • • • • • • • • • •

...

.

"'"

... .

• ••••

Filter F

₁₄

Filter F16

...

• • • • • • 0 • • • • • • • ••• _. 0 4 ' • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • pag.

17

18

19

20 20 20 20 20

21

22

27 '.

'

27

28

29

30

33

35

36

37

38

39

40 40 40

(5)

[j

n

fl

n

6.8.

8.

9·

10. Cycloon Cy13

••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Voorraadvat V

7 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Pomp P12 •••••••. .,... . •• 0 • • • • ' . . . • . . . . ' • • • • • • • • • • • ' • • • • • • • • Massa en warmtebalansen

Investeringskosten

' 0 '

...

. .

.

...

.

Symbolenlijst

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 0 • • ~ . . . • • ' • • Literatuuroverzicht • . . . • • ' . . . 0

...

pag.

40

41

4

2

BO

58

60

(6)

r

'

I 1 l )

f

l

'I

, l ,

.

)

l

1. Samenvatt~

Een voorontwerp is gemaakt voor de produktie van sorbinezuur.

De bereiding van sorbinezuur moet gezien worden als een

twee-stapsproces,waarbij in de eerste stap een polyester met een

~---

molecuulgewicht van ca. 2000 wordt gevormd,door keteen en

1.

crotonaldehyde met elkaar te laten reageren in tegenwoordigheid

van zinkisobutyraat als katalysator en tolueen als oplosmiddel.

In de tweede stap wordt de verkregen polyester thermisch ont-leed tot sorbinezuur en een aantal bijprodukten o.a. kooldioxide, piperileen,aceton en crotonaldehyde.

Bij deze ontleding wordt natriumhydroxide als katalysator

ge-bruikt.Het gevormde sorbinezuur wordt opgevangen in water, afgefiltreerd,geherkristalliseerd ter verkrijging van de juiste zuiverheidsgraad en vervolgens via een centrifuge afgevoerd.

Het proces wordt uitgevoerd met temperatuur_en flowregeling. In eerste instantie zullen de kondities ingesteld moeten worden. Eventuele variaties van de ingevoerde stromen,bij konstante

samenstelling,zal resulteren in een verandering van de tempe-ratuur van de afgevoerde stroom of van de hoeveelheid keteen in het afgas,zodat meting van deze grootheden ( b~ voorkeur automatisch ) ,gekoppeld aan een regeling voor de katalysator-doseringen kan zorgdragen voor een konstante produktkwaliteit. Vanwege de korrosiviteit van keteen en van de bij de ontleding vrijkomende produkten,worden de delen van de apparatuur die hiermee in aanraking komen,in dit geval de reaktoren,uitgevoerd in roestvrij staal U.S.

316.

Aangezien keteen zeer giftig is,is het noodzakelijk het even-tueel niet gereageerde keteen te neutraliseren,waarvoor in dit geval voor verbranding is gekozen.

De berekeningen zijn gebaseerd op een jaarproduktie van 2000 ton sorbinezuur.In een kontinu proces is dit 0,277 ton sorbine-zuur per uur.

(7)

i

f '

[

,

lt

'

L

-l

[-r'

r

.

t

[

,

\'j

[

:

_,

_\~'

, \ )

\~~

~~}}

\\

I'

r

f1

[1

n

"

= ...

_ - - - -

-2. 2. Inleiding.

Sorbinezuur werd in 1859 door A.W. Hoffman ontdekt.De struktuur van het sorbinezuur werd tussen 1870 en 1890 ontdekt,waarna in 1900 de eerste synthese hiervan plaatsvond.

Het huidige belang van sorbinezuur ligt in de antibakteriële en antifungicide werking hiervan.Het is dan ook een van de belangrijkste konserveringsrniddelen voor levensmiddelen geworden en ook als zodanig in de meeste landen wettelijk toegestaan.

Voor de bereiding van sorbinezuur kan men uitgaan van verschillende processen,waarvan de belangrijkste hier in het kort worden

weergegeven,ref. (1).

a. Reaktie van keteen met crotonaldehyde onder invloed van

b~riumtrifluoride of andere boriumverbindingen als katalysator bij een temperatuur van 0 ·C.

Het gevormde reaktieprodukt,propenYI-r-propiolakton,kan door

thermische ontleding met behulp van zwavelzuur als katalysator worden overgevoerd in sorbinezuur.

b. Reaktie van keteen met crotonaldehyde onder invloed van cadmium_ of zinkisobutyraat of_isovaleriaat als katalysator bij een

temperatuur van 25 - 80 ·C.

r'

Het gevormde reaktieprodukt is een polyester die door thermische

ontleding met behulp van natriumhydroxide als katalysator kan worden overgevoerd in sorbinezuur.

c. Oxidatie van 2,4 hexadiënal.

Deze oxidatie vindt plaats in alkalisch milieu (pH

=

12,5) onder invloed van zilverzouten als katalysator. Als

oxidatie-middel kan luchtzuurstof of nikkelperoxide gebruikt worden.

(8)

-rJ

[1

n

fl

r

I l

~-3. Ui tganE~J?unten voor het ontwerp.

3.1. Q~pndstoffen.

De kenmerken van de grondstoffen zijn ontleend aan-ref.(

1,2,-3,4).

3.1.l~ Crotonald~hyde.

Uitgegaan dient te worden van crotonaldehyde met een

water-gehalte van maximaal

0,6

%,

dit in verband met de reaktie tussen keteen en water tot azijnzuuranhydride, dat een remmende invloed heeft op de werking van de katalysator.

3.1.2. Keteen.

Aan de zuive~heid van keteen worden geen hoge eisen gesteld, vandaar dat normaliter wordt uitgegaan van een reaktiemengsel

bevattende ca.

50

gew.

%

keteen.De juiste samenstelling van het reaktiemengsel, verkregen door thermische ontleding van aceton, is als volgt:

samenstel lende componenten

keteen methaan koolmonoxide etheen kooldioxide waterstof 3.1.3. Katalysatoren. gew.%

50,4

26,9

13,4 8,0 1,0

0,3

In de earste stap wordt zinkisobutyraat als katalysator

ge-bruikt. De benodigde hoeveelheid hiervan ~s 1 gew.%, berekend op de totaal benodigde hoeveelheid crotonaldehyde.

In de tweede stap wordt natriumhydroxide als katalysator

ge-bruikt. De benodigde hoeveelheid hiervan is 0,2 gew.%, bere-kend op de te ontleden hoeveelheid polyester bij menging en loopt op tot maximaal I gew.% tijdens de ontleding.

3.1.4. Tolueen.

(9)

1('-I , l .

[

,

[

,

[

f

'

f'

L

[

,

I

1 j

[

,

['

J

r

'

r

[

~

I

r]

Ir!

n

fl

,n

,

r~

r

-"

---De zuiverheid van tolueen is niet belangrijk. Het voornaamste

doel van dit oplosmiddel ligt in het in de hand houden van de

temperatuur in de reaktor en de viskositeit van de uit de

reaktor komende stroom te verlagen.

3.1.5.

"'ater.

Aan de zuiverheid van het gebruikte water worden hogere eisen

gesteld. Hiervoor komt drinkwater in aanmerking.

3.1.6.

Aceton.

Zoals water zal ook aceton een hoge mate van zuiverheid moeten

bezitten.Di t houdt in dat de te gebruiken aceton van de kwaliteit

chemisch zuiver moet zUn.

3.2. Bu1y-middelen.

Als voornaamste hulpmiddelen,waarvan de gegevens in dit

voor-ontwerp worden gebruikt,worden stoom en koelwater beschouwd.

3.

2 •

1. st

0 om.

Er wordt geacht beschikbaar te zijn midden (10 baro) en lage

(3

bare) druk steem,met als ontwerptemperaturen bij verhitten

van 180,123 en 107 ·C.

3.2.2. Koelwater.

Het koelwater wordt gebruikt met een ontwerpinlaattemperatuur

van 20 ·C en een maximaal toelaatbare uitlaattemperatuur van

11 "

40 ·C (in verband met kalkachtige afzetting sealing).

3.3. Fysische konstanten.

De fysische konstanten van de in het proces gebruikte

grond-stoffen en gevormde produkten zijn ontleend aan ref.(5

t/m

:

12).

3.3.1. Crotonaldehyde.

Aangezien Cp waarden voor crotonaldehyde niet in de literatuur

vermeld worden,zijn deze waarden bepaald door vergelijkend

onder-zoek van verschillende stoffen.Dit heeft tot resultaat:

(10)

(11)

-r ' l _ I . • r '

I

~

.

...

1

r

!r:

!

•

n

J

i

I

n

temperatuur

(

100

125

150

175

200 verdamp. \{armte

11 11

dichtheid

kookpunt

3.3.3. Keteen.

Cp

vormin

gnwarmte

dichtheid

kookpunt

..

c

₎

(

110,6

(

123,5

(

101

3.3.4.

!::zynz-q~nh;ydEid~e-\,~

temperatuur

(

·c

)

55

60

70

80

90

100

103 107,2

110

120 123,5

130

140

150

160 ·C

·c

Cp

(

cal/gram

C ) damp

0,336

0,357

0,377

0,398

0,418

)

33,5

kj/mol

)

32,8

kj/mol

)

34,2

kj/mol

867 kg/m

3 110,6

·C

=0,294

cal/gram

·C

=-14,6

kcal/mol

=

1,7

kg/ru

3 =-60

·C

Cp ( cal/gram ·C ) vloeistof

0,4523

0,4550

0,4612

0,4678

0,4740

0,4802

0,4822

0,4848

0,4866

0,4934

0,4958

0,5003

0,5086

0,5184

0,5300

6.

(12)

-r·--·,---~· ---, ~ .

I

~-l.

[

,

[

:

[

:

[1

[l

n

temperatuur (

·c )

100

125

150

175

200

verdamp. warmte

"

dichtheid kookpunt Polyester.

(

101·C

( 123,5

(138,6

• t

(·C)

'"empera uur

25

55

80

100 i01

123,5

160

180

vormings,.,armte dichtheid kookpunt

3.3.6.

Sorbinezuur. Cp (

0 -- 100

·C )

Cp ( cal/gram ·C ) damp

0,3050

0,3175

0,3300

0,3430

()

0 \iJ20

)

.

=

42,6

kj/mol

'e)=

40,8

kj/mol

·c)=

39,4

kj/mol

1082

kg/m

3 139,55

'C

Cp ( cal/gram ·C ) vloeistof

.

0,417

0,431

0,445

0,457

0,461

0,471

0,502

0,521

=-796

kcal/kg

1019

kg/m

3

onbekend

"

.

='-0,44

/6al/ gram

"e

=

{

0

743 (

kcal/mol'

I

;:

41,3

kj/mol

~<;,ty.,",~

~194

,

8 kcal/mol verbrandingswarmte verdamp. warmte vormingswarmte smeltwarmte dichtheid smeltpunt kookpunt (X"" =

29 ~l

1204

kg/m

3

135 ·c

250-252

·c

7·

(13)

1

Ir .

1

I

lr

I

r

Ir

I

.

r

! •

]I'

i

I

:r

.

I .

,

Ir

"

,1 .'

j

ir

~

~ ,

Ir

~

Ir'

I

t ,

I

I J

in

i

I

in

I

jn

in

lr

1

1 r

·"·...,.N ... -_ • •• ~_.___ -. '_l 8.

3.4.

Korrosiviteit.

Keteen is bij de reaktie temperatuur

(55

·c.)

korrosief.Een geschikt

konstruktiemateriaal is bijvoorbeeld austenitisch

chroomnikkel-staal met de volgende kenmerken: U.RO( type 316, 16 tot la

%

Cr,

10 tot 14

%

Ni,2 tot

3 %

NO,gesta.bil~S>~erdJref,

(18).

Bij de ontledingsreaktie kunnen produkten gevormd worden die

korrosief zijn.Het is dus nodig de reaktoren Ra enR

9

uit te

voe-ren in de bovengenoemde staalsoort.

In de selektie van een konstruktiemateriaal zullen niet alleen de korrosie-resistente,maar ook de mechanische eigenschappen

en de prijs van het te gêbruiken materiaal in ogenschouw moeten

(14)

[

:

[

:

[

~

f1

[1

n

I

l

4.

13eschrijving4 van h.et proces.

in dit hoofdstuk wordt het proces in globale termen beschreven ter ondersteuning van de bijgevoegde flowsheet.

Gedetailleerde beschouwingen over pro~eBkondities,uitvoerings

. vormen van apparaten en dergelijke worden elders gegeven.

4.1.

Het flo·wdiagram ....

In de reaktor Rl,met als pakking 1 inch Rashigringen ( ref.

13)

wordt keteen,met een temperatuur van

55

'C,in kontakt gebracht met een mengsel bestaande uit crotonaldehyde,zinkisobutyraat, tolueen,polyester en azijnzuuranhydride met een temperatuur van

55

·C.( de keteen wordt in tegenstroom ingevoerd ). Van de uit de reaktor tredende stroom wordt een gedeelte afgesplitst en via warmtewisselaar H3 de destillatiekolom T

6

ingevoerd. Het topprodukt van de destillatiekolom wordt met het andere gedeelte van de afgesplitste stroOm vermengd en via warmte-wisselaar H

2 opnieuw de reaktor Rl ingevoerd. Het bodemprodukt van de destillatiekolom,bevattende de gevormde polyester, azynzuuranhydride,crotonaldehyde,tolueen en zinkisobutyraat, gaat via het voorraadvat

v

1

,waarin menging met natriumhydroxide plaatsvindt,naar de reaktor R~.In deze reaktor wordt de poly-ester thermisch ontleed bij een temperatuur van 180

·e

en een druk van 30 mmHg.Voor volledige ontleding van de polyester wotdt een gedeelte van het zich in reaktor RS bevindende meng-sel naar reaktor R9 gevoerd waar een temperatuur heerst van 160 ·C e~ een druk van 30 rnmtlg. Het onontloedbare gedeelte wordt afgevoerd naar een opslagtank.Het uit de reaktoren ont-wijkende gasmengsel,bestaande uit sorbinezuur,kooldioxide, crotonaldehyde,azijnzuuranhydride en tolueen, wordt met behulp

---van warmtewisselaar H

IO gekondenseerd en vervolgens in

kristal-lisator Kll gemengd met water.Via centrifugaalpomp Pl2,die een dubbele funktie heeft,namelijk verpompen en eventueel nog aan-wezig gas ( sorbinezuur ) met de vloeistof te mengen,gaat het mengsel naar cycloon CY13 ,waar de gasvormige bestanddelen worden gescheiden van de vloeistof.Het verkregen ~engsel van water,sorbinezuur en azijnzuuranhydride ( eventueel ook nog zeer kleine hoeveelheden crotonaldehyde en tolueen ),wordt

(15)

-1 - .

J

:-=J

:=:J

::.=:J

c=J H 2 :STOOM l.~(.~t.. R REACTOR ... "'--l 4... , ---.5 r H H 2 KOELER H 3 VOORVERWARMER V H KOELER R 1 ....---., ---.J KOElW~ER ~-J

~.k~

. 1 't'.:.c~. ,...-...-,

-

"';

'

~:'j

~/,,"(

,?

/

fr",-:-, A1.'fvCS ., ---

~yN

~

NATR~YOROXIDE

~~

, ol - tl- f - - - - , V 7 <=::Ç) 123 j..( 1.\ REBOILER R OESTiLLA TIEKOLOM H la VOORRAAOVAT K 11 REACTOR P 12 IS REACTOR KOELER KRISTALISATOR POMP KOELWATER ... L:\. ~rf'tt""" ~ ..t' Kll r---, ~

?

~ R

~

.

VACUUM

~

r

.4

•

f....---, J I)

,p7

vY"

\,..;.~J",,~~ ~

K"-~ tl

K

O

E~TER

KOELWATER Cy 131 CYCLOON F 14 fiLTER K 15 I KRISTALLISATOR F 161 FILTER SPU

..

I BEREIDING G.L. dan HARING WATER/ACETON .. ~4 VAN on JULI 1973 OSTllOOMNO..MO CD In l: SOREJINEZUUR H.da BRUIN

o

In BARA

(16)

n

l

~'

l .' ... _:;-._~!è.o

..

l

10.

gefiltreerd i~ het kontinu roterend filter F

14 (centrifuge),

geherkristalliseerd met behulp van een water-aceton mengsel in kristallisator K

l5,waarna sorbinezuur wordt afgefiltreerd in

filter F16 (centrifuge).

4.2. Flexabiliteit van het proces.

Het is denkbaar, dat de volgende variaties in de procesvoering of kondities kunnen optreden:

a. kapaciteit van de ingevoerde stromen.

b. voorbehandeling van crotonaldehyde. c. aktiviteit van de katalysator.

ad.a. vergroting van de kapaciteit van de voeding van konstante

samenstelling houdt in ,dat de ontwikkelde reaktiewarmte groter zal worden,waardoor de afvoer van deze warmte problematisch

gaat worden.Een tweede effekt dat dan zal optreden is dat de

reaktiesnelheid bij temperaturen boven de

eo

'u zal gaan afnemen,

wat zich dus uit in grotere hoeveelheden keteen in het afgas en onomgezet crotonaldehyde.Deze aldus ontstane temperatuurverho-ging zal dus moeten worden tegengegaan door het toepassen van

meer warmtewisselend oppervlak bijvoorbeeld door een koelmantel om de reaktor aan te brengen.

ad.b. des te slechter het crotonaldehyde voorbehandeld is, dit in verband met het waterpercentage,des te meer katalysator is nodig om de gewenste hoeveelheid produkt te verkrijgen daar het gevormde az~nzuuranhydride de katalysator desaktiveerd.Dit kan bijgestuurd worden door de hoeveelheid katalysator te vergroten, wat echter problemen kan geven bij de destillatie.

ad.c. een zelfde redenering gaat op voor de altijd optredende variaties in kwaliteit of aktiviteit van de katalysator.

4.'.

In en uit bedrijfstellen van de installatie.

Tijdens het opstarten wordt keteen in de reaktor geleid,waarin reeds crotonaldehyde,tolueen en zinkisobutyraat cirkuleerd. Dit cirkuleren wordt voortgezet tot de hoeveelheid gevormde

(17)

r ' L ,

I

'

_, r '

I

r ,

~

1

, J

~l

fl

I

1

I J r' 11.

polyester voldoende is,waarna een gedeelte naar de destillatie-kolom wordt gevoerd.Voor de tweede stap is nodig ,dat de stroom die reaktor

Ra

bereikt,opgewarmd moet worden zodat de

exo-therme ontledingsreaktie gestart wordt. Deze reaktor zal dus niet alleen met een koeler moeten zijn uitgerust ( zoals gete-kend ),maar ook met een verwarmingselement.

Bij stoppen van het proces,~l of niet veroorzaakt door storingen, zal er rekening mee moeten worden gehouden dat bij afkoeling

van de polyester beneden de

75

'C,de viscositeit hiervan

dusdanig hoog zal worden dat verstopping van leidingen en appa-raten kan optreden.Dit kan men tegengaan door leidingen en apparaten die in aanraking komen met deze polyester te voorzien van electrische elementen.

(18)

1

11 j

L

It

L

r~

tl

[1

fl

n

\' I 12.

5. Procesg8B~ens.

In dit hoofdstuk zullen de pr~cesvariabelen beschouwd worden,

die van belang z~n b~ de bereiding van sorbinezuur.De keuze van de condities is voornamel~k gemaakt aan de hand van in de litteratuur gevonden waarden. ;: ref.(

1,

.

4,12).

5.1. De temperatuur.

In de eerste stap van het proces treedt een temperatuursgebied naar voren,waarbij de conversiesnelheid maximaal is.Dit gebied ligt tussen 25 en 80 ·C.Uit de litteratuur bl~kt dat 50 tot 60 ·C als toptemperatuur in de reaktor wordt gebruikt,gekozen

is hier voor een temperatuur van 55 ·C.

Voor de tweede stap ligt de temperatuur tussen 160 en 270 ·C, gekozen is voor een temperatuur van ISO

'e

in reaktor RS en een temperatuur van160

·c

in reaktor R9'

5

~ 2. De d ru k .

In de eerste stap kan wat keteen betreft de druk niet meer

bedragen dan 2 baro in verband met de bij hogere druk optredende .

~, ' tJ·',;.~

ontleding van keteen.Gekozen is een druk van

~

l·''-

.

!f'''~'

\

'-j . - /

Door in de tweede stap de temperatuur vast te leggen,11gt de druk in deze stap ook vast.De druk in deze stap kan dan 35

---mrnHg of minder bedragen. Gekozen is voor een druk van 30 mmHg.

5.3. Katalysatordosering.

De katalysatordosering geschiedt door toevoeging aan de stroom voor intrede in de reaktoren,dit in verband met betere resul-taten wat betreft de optredende reakties.Omdat er geen reke-ning kan worden gehouden met optredende variaties in kwaliteit

van crotonaldehyde of zinki~ bedraagt de toe te voegen

katalysator in de eerste stap 0,7.10-

3

kg/sec.

~~

Voor de tweede stap is het noodzakelijk dat de toe te voegen katalysator goed gemengd wordt met de te ontleden polyester, daar natriumhydroxide slecht oplost in het mengsel. Door natrium-hydroxide

~ooraf

goed te malen kan dit bezwaar ondervangen

(19)

- -

-==~-~

l'

t

~

r~

rl

,[1

n

:·r

. J

~

bedraagt 0,23 • 10- 3 kg/sec.

5.4.

9..<?Jtvers~

Van de reaktie tussen keteen en crotonaldehyde zijn in de

litte-ratuu~,wat betreft reaktiesnelheidsconstanten en dergelijke,

geen gegevens te vinden. Daarom is bij de berekening van reaktor

R aangeno~en dat de conversie als functie van de lengte van

:1

\ de reaktor lineair is,dat wil zeggen dat als we de reaktor in

l

i een aantal stukken verdelen,in ieder stuk evenveel reageert als

in het voorafgaande stuk. Verder is aangenomen dat de reaktie

tussen keteen en crotonaldehyde momentaan is en dat volledige

omzetting plaatsvin~.

Van de tweede stap zijn eveneens geen gegevens te

vinden.Aangeno-men is ook hier dat de reaktie movinden.Aangeno-mentaan is.

5.5.

~teproduktie.

."\

v

.~/

::i'

~;/

De in de eerste stap optredende reaktie tussen keteen en

crotoll-aldehyde is een exotherme reaktie.De b~ deze reaktie

geprodu-ceerde warmte wordt als volgt berekend:

Gegeveno: vormingswarmte crotonaldehyde

=

-34,45

"

keteen polyester -14,60

::

-796

kcal/mol kcal/mol kcal/kg

reaktiewarmte (298 'K ) vormingswarmten produkten -

vormings-reaktiewarmte ( 328 'K

)=

warmten reaktanten.

328

reaktiewarmte (298 'K )

+

-

;

(s.w.

produkten - s.w.

reaktan~~~

) dT

Uitvoering van deze berekeningen levert een reaktiewarmte

van: -42,46 kcal/.sec.

De in de tweede stap optredende reaktie,waarbij uit

rekentech-nisch oogpunt is aangenomen dat de polyester ontleed tot sor-binezuur en kooldioxide.In werkelijkheid ontstaat ook nog

pipe-

---rileen,crotonald~hyde en aceton.

----Deze aanname leidt dus tot het volgende vereenvoudigde

reaktie-schema: polyester ~sorbinezuur + kooldioxide +

onontleed-bare rest gegevens: vormingswarmte polyester

"

kooldioxide 11 water "

=-796

kcal/kg.

=-94,05

kcal/mol =-68,19 kcal/mol

(20)

L

.

r

'

f

1

l i

[ 1

[1

verbrandingswarmte sorbinezuur verdampingswarmte smeltwarmte 11

"

=

143 kcal/mol. = 106,1 kcal/kg. 29 kcal/kg.

De vormingswarmte van sorbinezuur wordt als volgt berekend. Aan de hand van de reaktie: C

6H802 + 102 ~ -6 CO2 + 4H20,

wordt de vormingswarmte van sorbinezuur gevonden als de som van 6. vormingswarmte kooldioxide,4. vormingswarmte water en verbrandingswarmte sorbinezuur.

14.

Berekening levert op: vormingswarmte sorbinezuur =-94,8 kcal/mol •

Een zelfde berekening als bij de eerste stap,nu echter

uitge-breid met de verdampingswarmte en smeltwarmte van sorbinezuur levert voor de ontwikkelde warmte in reaktor R

8: 155,5 kj/sec. Voor de reaktor R9 wordt gevonden: 23,31 kj/sec.

5.6. Samenvatt ing prqces~e~~ye?~_

Voor het ontwerp van de sorbinezuurinstallatie wordt uitgegaan van de volgende gegevens.

Grondstoffen. Uitvoering. Kondi ties. crotonaldehyde tolueen keteen zinkisobutyraat natriumhydroxide water aceton Kontinue produktie kapaciteit 0,211 ton/uur

eerste stap: temperatuur 55

'C

druk (keteen

)

1

tweede sta,p: temperatuur

(

_Re

11

(

R9

druk 0,04 baro baro

)

180

)

160

'C

'e

katalysatoren 1 gew.% zinkisobutyraat.

0,2 gew.% natriumhydroxide.

(21)

I .

[

:

f

:

I

[

I r .

f

:

[

]

[ 1

fl

n

r

15.

6. Ontwerp van de apnaratullL.:...

6.1. Reaktorbereken~ngen.

6~1.1. Reaktor R_.

1.-Gekozen is voor een gepakte kolom als reactor, waarbij de te rea-geren stoffen in tegenstroom ingevoerd worden, ref.( 1. ).

~

Het voordeel van zo'n gepakte kolom ten opzichte van bijvoorbeeld

) de bellen- of de meohanisch geroerde kolom ligt in het feit,

~

dat hierin het grensvlak gas-vloeistof groter is dan in de

Cl

andere kolommen. Verder bezit de gepakte kolom het voordeel, vergeleken met de mechaniEch geroerde kolom,dat geen afdichting van roerderassen nodig is.

Een nadeel van deze kolom zou het grotere gewicht ervan kunnen zijn.

Voor het ontwerp van de reaktor komen onder meer de volgende punten naar voren:

a. superficiële gas- en, vloeistofsnelheid, di t in verband met loading en flooding van de kolom.

bo de benodigde hoeveelheid vloeistof moet voldoende zijn om de pakking te kunnen bevochtigen (minimum wetting rate van de pakking, M.W.R.).

c. afmeting van de pakking. d. materiaalkeuze en wanddikte.

6.1.2. Berekeningen.

Voor de berekening van de ver.eiste pakkinghoogte in de kolom

is gebruik gemaakt van een empirische formule ontleend aan ref.(13). Deze formule geldt strikt genomen alleen voor de reaktie van ke-teen met alcoholen of zuren. Daar keke-teen met aldehyden op dezelf-de manier reageert, namelijk via een eerste ordezelf-de reaktie, lijkt het niet bezwaarlijk deze formule voor de hier optredende reaktie te gebruiken •.

In formulevorm luidt deze H

=

l02.S.M.d.vO,2 T

Om tot een berekening te kunnen komen,is aangenomen dat de

super-fici~le gassnelheid 1 m/sec.bedraagt,waarna achteraf deze waarde is gecontroleerd. op haar juistheid.

(22)

r .

,

.

l.

[

,

r

:

I

_l

---.--

---

--

---16.

Een procesgegeven is dat de hoeveelheid keteen 43,4.10-3 kg/sec.

bedraagt.

Aan reaktiemengsel (technisch keteen ) hebben we dan nodig:

-3

100 • 43,4.10 _ 86 1 10- 3 k /

50,4 - , • g sec.

dichtheid keteenmengsel: 1,18 kg/m 3 ,dus de volumestroom van het reaktiemengsel bedraagt: 72,9.10- 3 m

3

/sec.

Bij een superficHHe gassnelheid van 1 m/sec.volgt de diameter van de kolom uit de formule:

d~V~

, ingevuld levert di t:

d= 30,5 cm.

Voor de pakking worden Raschigringen van 1 inch genomen.De hoogte van de pakking wordt nu berekend, door als eis te stellen dat de uitgaande keteenkoncentratie 1

%

van de ingaande keteenkoncen~

tratie bedraagt.

H 102.4,15.70.25·1

328 2252 mme

Als hoogte van de pakking wordt nu genomen 2,25 m.en voor de

hoogte van de kolom 2,50 m.

Ter kontrole van de aangenomen waarde voor de superfici~le

gassnelheid is de waarde van de superfici~le gassnelheid bere-kend voor het geval van flooding,echter zonder rekening te

houden met optreden van reaktie in de kolom, dus voor het geval

van zuivere absorptie.

Deze superfici~le gassnelheid wordt bepaald met behulp van twee kental1en,ref. (14),namelijk:

2.\

J'Fr

eÜe vi • a.

fo/

ffl

0,2

GVft

g.t:

3

·ft

I

1\~= ~97,3

1,18

=

0,26

dVr-t

86,10

9

24,6

~.a.f~1)0,2

=

(

via grafiek

)=

0,065

g.

(.J·fJL

I

v:

~

9,82.65.10-3

-

6 -4

199.12,7 .10 .0,916 3,04

'f=

1,74 m/sec

De superfici~le gassnelheid in de kolom bedraagt in de praktijk 30 --- 70

%

van de superfici~le gassnelheid bij flooding.

(23)

l'

r

.

L

r '

I

t

[

,

r l

l :

r~ '''I -(

-

j

.~. 17.

Verder is bekend,dat in een gepakte kolom b~ deze afmeting van de gekozen pakking, dat de superficilHe gassnelheid 2 - 3 rt/sec. bedraagt,ref.( 14).

Aangezien in de kolom ook nog chemische reaktie optreedt,houdt dit in,dat de superficitlle gassnelheid goed gekozen is.

Loading

Voor loading geldt de volgende rormule,ref.~1~.

Invullen levert op: G

=

784,8 lb.hr/ft.

In werkel~kheid bedraagt deze: G

=

787,3 lb.hr/rt.

We zien dus dat de kolom ook voldoet aan het kriterium voor loading.

Minimum wetting rate.

Om optimaal te kunnen funktioneren moet de gekozen pakking ook voldoende bevochtigd worden.Uit de litteratuur is bekend dat de minimum wetting rate voor de gekozen pakking

5

gall./rnin.sq,ft. moet bedragen,ref.(15).

-3 3/

2

Omgerekend is dit: 3,4.10 m seC.ID.

Voor dekolom geldt dat de ingaande volumestroom per oppervlakte-eenheid 8.10- 3 m3/sec.m2• bedraagt.

Hieruit volgt dat de M.W.R. voor depakking voldoende is. 6.1.3. TemperatuurstUging in de reaktor.

De temperatuur van de uit de reaktor tredende stroom kan gevon-den wordendoor de eerder genoemde aannamen te gebruiken.

Berekening levert,dat b~ een ontwikkelde reaktiewarmte van 42,46 kcal/sec,de temperatuur van de uitgaande stroom 73,2 ·C bedraagt. 6.1.4. ~ateriaalkeuze en wanddiktenL

De keuze van het materiaal voor dat deel van het systeem,dat in aanraking komt met keteen wordt in sterke mate bepaald door de korrosiebestendigheid.Gekozen wordt voor austenitisch

chroom-nikkelstaal U.S. 316 ( 16 - - 18

%

Cr,10--14

%

Ni,2--3

%

Mo, gestabiliseerd ).De korrosiesnelheid .wordt geschat op 0,03 mm/jaar

B?±f (p.!!,!,!""" ri!f

Î,

[,

,

(24)

I '

t

l:

L

r '

l..J

[

r"

_I L r "

i

L •

o

Q

o

n

D!

~l

]

n;

n,

I

~I

(25)

I ' I l .

l

:

[

:

[

:

n

,

- - -

-betrokken op putjesvorming.

Voor een gebruiksduur van

20 jaar dient dan minimaal

0,6

mm

korrosie

toeslag

gegeven te worden.

18.

6.1.4.1. Cyliz.:derwanddikte.

Gegevens

voor

de berekening

van de cylinderwanddikte

zijn

ont-leend

aan

ref.

(I

6).

De cylinderwanddikte

wordt

bepaald

met

behulp van d

=

~~~

(

~(o,

1 )

P l O '

N/m2.

D

0,305 m.

ó=

_{1060.10 N/m}

5 '

2

_•

. ( d

"

_{10 .0,305}

5 _-4

2.1060.105

=

1,5.10

m.

Hierbij komt

nog de

korrosietoeslag en

de toe

s

lag ten gevolge van

eigen

gewicht,hydrostatische

druk en

extra

spanningen ter plaatse

van de ondersteuning.Deze laatste aspekten vallen buiten het

kad

er

van dit

fabrieksvoorontwerp.Gekozen

wordt voor een

wand-dikte van 1,5

mm.Een

en

ander

is echter wel afhankelijk van wat

.---in de handel

verkrijgbaar is.De

kolom heeft dus de kenmerken:

inwendige di

amete

r:

30,5

cm.

uitwendige diam

e

ter: 30,65 cm.

6.1.4.2. Fronten.

De dikte van

de

fronten hangt af van de vormjgenomen wordt een

doorgebold front met een

kromtestraal

R

=

D en als omhaling

r

=

O,1.D.

I

6.1.5. Aansluitingen.

6.1.5.1. Toevoerleidin

gen

.,

Als wanddikte wordt ook

1,5 mmo aangehouden.

vloeistof:de vlceistofkapaciteit bedraagt

638,2.10-

6 m

3 /sec.

Neem een lineaire snelheid

aan

van 1 m/sec,de inwendige

dia-meter wordt dan!

di=V~ 638,2.l0-b~

2,82.10-

2 m,z

.

eg 3.10-

2 m.

(26)

[

:

n

r

keteen:de keteenkapaciteit bedraagt

7?,9~J:Ö-3

m,3/sec.Neem een lineaire sn~lheid a~n van 10 m/sec.,de inwendige diameter wordt d an: d i=V~~.lä

\14.""72,9..10-

= , .

9

63 1 -2 0 m,zeg 10 -1 m.

6.1.5.2. Afvoerleidingen.

vloeistof:de vloeistofkapaciteit bedraagt 619,1.10-3kg/sec, omgerekend is dit 686,3.10-6m3/sec.Neem een lineaire snelheid

van 1 m sec de inwendige diameter wordt dan:

4.b86,3.10~b _ 2

9

1'0-2 3 10- 2

~

lT

-

~' m,zeg. m.

De feitelijke leidingdiameters worden bepaald door de standaard-maten, die verkrijgbaar zijn in het gekozen materiaalsoort.

601.6. Reaktoren R8

~_R9:"'-Voor de ontledingsreaktoren wordt gebruik gemaakt van twee in serie geschakelde reaktoren,ref.(4 ).Dit systeem heeft voor-delen boven de enkele reaktor.Bij de enkele reaktor zal de hoeveelheid katalysator zich met het verstrijken van de tijd

op-\ hopen in de reaktor,wat tot nadeel heeft dat het residu

moei-\

lijker uit de reaktor verwijdert kan worden,dit in verband met

de zeer hoge viscositeit van het residu.

Het kontinu verwijderen van het residu heeft als nadeel dat

hier-i in nog een grote hoeveelheid onontlede polyester aanwezig is,

\ met als gevolg een lager en niet konstant rendement.

Het systeem van twee reaktoren in serie heeft als voordeel dat het kontinu afgescheiden residu ~it de eerste reaktor,nog na-behandeld kan worden in de tweede reaktor, tot alle nog aanwe-zige polyester is omgezet,met als gevolg een hoog en nietvari-abel rendement zoals bij de enkele reaktor.

Inde praktijk komt het hierop neer dat men de eerste reaktor start en hierin de koncentratie van de katalysator laat oplopen tot ca. I gew.%,berekend op de ingevoerde polyester,en dan pas de tweede reaktor in gebruik stelt om het residu na te

behan-.delen.De tweede reaktor wordt in dit geval 7,5 uur na het opstar-ten van de eerste reaktor in gebruik genomen.

Daar geen informatie gevonden werd over reaktiekinetische gege-vens is lineaire extrapolatie uitgevoerd van gegegege-vens vermeld in ref. (

4 ).

(27)

r

:

r

:

r

- ~~~-~--~-20.

Hieruit blijkt dan dat de inhoud van reaktor Re 4125 1.moet be-dragen en van reaktor R9 620 1.Deze vrij grote volumina voor de reaktoren worden mede veroorzaakt door het feit dat de reak-toren tevens als verdamper gebruikt moeten kunnen worden,van-wege de gasvormigheid van de bij deze temperatuur en druk optre-dende reaktieprodukten.

Voor de afmetingen van eis D=

~

Hstellen: voor reaktor Re;D

de reaktoren vinden we nu,indien we als

voor reaktor R

9

;D

1,35 m,H

0,73

m,H

&.1.7. Materiaalkeuze en wanddikten.

2,70 m.

1,46 m.

In verband met korrosie is hier ook gekozen voor roestvrij staal U.S.316,en wordt de korrosiesnelheid ook geschat op 0,03 rum/jaar.

6.1.7.1. Cylinderwanddikte.

Een zelfde soort berekening als onder 6.1.4.1. geeft voor de gewenste wanddikte: d

=

16.10- 3m.

Totaal kan worden volstaan met een wanddikte van 2.10-2m. Voor de tweede reaktor wordt gevonden d

=

e,6.10-

3

m,totaal

-2

wordt voor de wanddikte nu genomen: 10 m. De reaktoren hebben dus de volgende kenmerken:

reaktor Rejinwendige diameter = 1,35 m,uitwendige diameter reaktor R

9;inwendi g e diameter 0,73 m,uitwendige diameter

6.1.7~2. Fronten.

Gekozen wordt voor een doorgebold front met een kromtestraal

1,37 m. 0,74 m.

R

=

D en als omhaling r

=

O,liD.Als wanddikten worden de dikten van de cylinderwanden aangehouden.

6.1.e. Aansluitingen.

6.1.e.l. Toevoerleidingen.

vloeistof:de vloeistofkapaciteit bedraagt lle,1.10- 6 m3/sec. Bij een lineaire snelheid van 1 m/sec wordt. de diameter van de toevoerleiding naar reaktor Re: di= 11,e.10- 3 m.Daar de

(28)

visco-[

,

r

[

1 [1

n

r:

r

, • l, ----..,.~~--21.

siteit hier echter dusdanig groot is kan niet worden volstaan met de berekende leidingdiameter.Gekozen is hier voor een

dia--2 meter van 5.10 m.

De toevoerleiding naar reaktor R9 is de afvoerleiding van reak-tor R8 ,de leidingdiameter berekenen heeft vienig zin daar we hier met dusdanig hoge viskositeit van het af te voeren mengsel te maken hebben dat bij de berekende leidingdiameter zeker ver-stopping zou optreden. Gekozen is voor een leidingdiameter van 7,5.10-2 m.

6.1.8.2. Afvoerleidingen.

vloeistof:de vloeistofafvoerleiding van reaktor R9 is niet bere~

kend in verband met de hoge viskositeit van de af te voeren rest. Gekozen is weer voor een leidingdiameter van 7,5.10-

2

m.

gas:de kapaciteit van het af te voeren gas uit reaktor R8 be-draagt 185,52.10-

3

m

3

jsec. (dichtheid gas

=

0,500

kejm

3).

Bij een gassnelheid van 10 ~ s~3' wordt de inwendige diameter

..

4. 5,5

'

.10

15 "",

10-2

6 -

2

van de PlJP: di

=

lT. 0 = , - , . m.,zeg 1 .10 m De kapaciteit van het uit reaktor

R9

af te. voeren gas bedraagt 30.10-

3 m

3

jsec.(dichtheid gas = 0,416 kgjm'.).

Bij een gassnelheid van 10 m/sec. wordt de diameter van de pijp:

6

-2 -2

d. m ,2.10 m,zeg 6.10

m.

~

De diameter van de pijp voor de afvoer van deze beide stromen, bij een gaskapaciteit van 214,44.10- 3 m'/sec,bedraagt

-2

(29)

I '~f''' .-.• --.'._- .- .. .,.'.-, " L ,

['

I

l

'

: l

.

6.2. I

:

[

,

[-r:

r

:

['

f'

[

:

[

,

r

L

r~

rj

n

0 ~J

\

n

V)'

I

n

r

i

~

" "".~!!:!o:o!::

Berekening van de destillatiekolorn T

6

.!--De berekeningen zijn ontleend aan ref.(17).

22.

In de destillatiek~l.m wordt tolueen samen met de overmaat

crotonaldehyde als topprodukt afgedestilleerd,terwijl de polyester, zinkisobutyraat en azijnzuuranhydride als bodemprodukt wordt

verkregen.

De vereisten voor de destillatiekolom om bovenstaande scheiding uit te voeren worden bepaald met behulp van de zogenaamde

Lewis-Matheson methode.

Bij deze methode wordt aangenomen dat de molaire damp en vloeistof stromen in ieder gedeelte van een kolom een konstante waarde

bezitten.

Voor de berekening van deze multikomponentenscheiding worden tolueen als zijnde het zwaarste topprodukt en azijnzuuranhydride

als zijnde het lichtste bodemprodukt,als sleutelkomponenten gekozen, daar scheiding van deze twee komponenten het kriterium is voor de beoogde scheiding.

De relatieve vluchtigheid

(c:l)

van' de komponenten bij 110

·c

ten opzichte van azijnzuuranhydride is voor crotonaldehyde 3,50,voor tolueen 2,53 en voor de polyester en zinkisobutyraat O.In het temperatuurtrajekt 101 -- 123,5

·c

blijft «vrijwel konstant. De materiaalbalans over de kolom wordt nu als volgt:

komponent

J.(

110 • C) crotonaldehyde 3,50 tolueen 2,53 azijnzuuranhydr. 1,00 polyester 0 zinkisobutyraat 0 F in mOl/sec. 0,733 0,965 0,0147 0,0537 0,0029 1,7729 D in mOl/sec. B in mOl/sec 0,732 0,001 0,950 0,001

o

1,683 0,015 0,0137 0,0537 0,0029 0,0899

Voor de kooktemperatuur van de voeding werd gevonden 107,2 ·C. Deze temperatuur werd berekend door van iedere komponent het quotient van molaire massastroom en totale massastroom te ver-menigvuldigen met de kooktemperatuur van de betreffende kompo-nent en de afzonderlijke waarden op te tellen.De temperatuur van de ketel werd op identieke manier bepaald en daarvoor werd 123,5

'e

(30)

I '

L

~

[

:

1 :

r '

i

r '

L

[

]

[1

n

gevonden.

De temperatuur van de kondensator werd op

101 'e

gehouden.

De minimale refluxverhouding.

Deze werd gevonden met behulp van de volgende formule. L 1 xD xhD Rmin .= (

D

)min.=or=r-(

x

_n - Xhn)

x

D

=

0,565

x

_n

=

0,543

X hD

=

0,000596

x

hn

=

0,00829

o(tolueen/az~nzUUranhydr.

R == I , 1

(0

· ,5

6

? _

min.

2,53.:. 1

0,543

;;

2,53

2 53 0,000596 )

,

'0,00829

Neem nu als ref1uxverhouding aan:R~.= 1 Kondities voor de destillatiekolom.

a. de kolom werkt adiabatisch.

0,562

b. de voeding kom~ binnen als vloeistof op kooktemperatuur,

T

F=

107,2 •

c.

23.

c. de damp van de bovenste schotel wordt volledig gekondenseerd: V

l

=

L + D ••

de refluxverhouding R

=

1 •

de dampsnelheid in het strippende gedeelte en in het

rektifi-~~

cerende gedeelte van de kolom is gel~k.

de druk over de kolom is konstant en gelijk aan I atmosfeer. Berekening (rektificerend.:gedeel te).

komponent D in mOl/sec

d..

\ J ""

,crotonaldeh.

\\1';

.\-N/

0,732

0,950

°rOOlO

1,683

3,50

2,53

1,00

VI in mol/sec

1,464

v

I/rf..

Ll

V

₂

0,4188 0,6009 1,333

\~~/

\'

S,P\

tolueen \ .,~ azijnzuuranhyd. ~'-

IV

o ~J '-'

V

J...I\ l \ IJ

.

~v \~ 'X'

1,900

0,0020

3,366

0,7515

°r0020

1,1723

1,0785 2,029

°r0029

°rOO~2

1,6823 3,3659

[~--~.

~--

~. '-"''':.':nII!II_~~ _ __ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

(31)

r,

L

, r

~

l

,

r

r:

r'l

L

f1

[1

[J

r

I'

I I I , -~~.~. ---~- ---komponent V 2/c/.. crotonaldeh. 0,3813 tolueen 0,8025 azUnzuuranhyd.O,OOi9 1,1877 1 2 0,5405 1,1383

2.J..QQ22

1,6843

V

3

1,2725 2,0883 0,0065. 3,3873 V

₃

/d...

0,3638 0,8255 0,0065 1,1958

L3

0,5123 1,1623 020092 1,6838 kemponent crotonaldeh. tolueen azUnzuuranhyd. 0,0102 3,3665 strippende gedeelte. komponent B in mOl/sec.

~

crotona1deh. 0,0010 3,50 tolueen 0,0150 2,53 azijnzuuranhyd. 0,0137 1,00 polyester 0,0573 0

.

"

,'

cÁ,

B 0,0035 0,0380 0,0137

o

zinkisobutyr. 0.0023, 0,0899

o

0

- -

-_

.

~--komponent crotonaldeh. tolueen

d,.1~

0,7505 5,9050 azUnzuuranhyd. 0,8494 polyester 0 zinkisobutyr.

Q

•

7,5059

,

komponent 13 crotonaldeh. 0,4881 tolueen 2,7~40 azUnzuuranhyd. 0,1730 polyester 0,0573 zinkisobutyr. 0,0029 3,4570

,

V

l

0,3366 2,6480 0,3810

o

\Á.

L;

1,7083 6,9180 0~1730

o

8,7993 0,0552 I L 2 0,3376 2,6630 0,3947 0,0573 0,0029 3,4555

,

V

3

0,6540 2,6460 0,0663

o

3,3663 V r 0,2134 2,3180 0,8357

o

3,36n

J.L;

1,2070 6,7380 0,3947

o

8,3397

,

L4

0,6550 2,6610 0,0800 0,0573 0,0029 3,4562 24.

,

L

1

0,2144 2,3330 0,84!i)4 0,0573 0,002.2 3,4570

,

V 2 0,4871 2,7190 0,1593

o

3,3654

,

d,..

L4 2,2925 6,7390 0,0800

o

9,1115

(32)

-

,

'

l

I ' ! • [ ,

I

l ,

rl

ij

I

l

I I

o(.L~

I I

komponent

_V

4

L5

V

5 L6

crotonaldehyde

0,8475

,

0,8485

2,9698

1,

.

0685

1,.0695

tolueen

_2,4890

_2,5040

6~3450

2,

.

2805

2,.2950

azijnzuuranhyd.

0,0296

0,0433

0,.0433

0,.0156

0,0293

p o

'

lye

st

er

0

0,0573

°

0,0573

zinkisobuiyr.

°

0,0029

0

0 .

°z0029

"3;3öb1

3,4560

-

9,3581

3,364b

3,.4540

,

I

komponent

d...

L

₆

V

₆

crotonaldehyde

3,.7430

,

1,.3170

tolueen

5 ,

,8050

,

2,0420

azijnzuuranhyd.

0,0293

0,0103

polyester

°

zinkisobutyr.

0

°

9,5773

3,3693

I

In V

4 en V

6 is de verhouding tolueen--azijnzuuranhydride vrijwel

gelijk,namelijk respectievelijk

207 en

198. Komponentsamenstelling rond de

voedingsschotel~

komponent

crotonaldehyde

tolueen

azijnzuuranhyd.

polyester

zinkisobutyr.

,

rectificerende

gedee>lte>

-~-

----;

--3'

f t

-1-- ---

_~L

-voedingsschotel

t

L6

, V

5J

--

-

- - - -

-strippende

gedeelte

L3

F

0,5123

0,7330

1,1623

0,9650

0,0092

0,0147

0 ,

0,0573

°

-

0,0029

T;öB3E

T~7729 \

,

L6

1,0695

2,2950

0,0293

0,0573

0,0029

3";4540

,

L3+

F:-:

L6

0,1758

-0,1677

-0,

.

0054

°

0

0,0027

I V

₅

_,

1,0685

2,2805

0,0156

°

3,3646

25. J

(33)

l

[

:

[~

II

[ ]

n

26.

j of

,

,.

komponent V 4 V M

5

- V 4 V

5

+

L3

+ F - V -4

L6

crotonaldeh.

1,2443

-0,1758

°

tolueen

2,1120

0,1685

0,0008

azijnzuurahyd.

0,01Q2

°

_,0054

1

°

polyester

°

zinkisobutyr.

°

3,3665

-0,0019

°

0,0008

Bovenstaande berekening laat zien, dat de aangenomen hoeveelheid top en bodemprodukt ~n de samenstelling en de samenstelling ervan I

geed gek.zen zijn.

Konklus1e:voor de destillatiekolom hebben we nodig

9

schotels, namelijk

3

schotels boven en

5

schotels onder de voedingsschotel.

o ~ AIS schotels worden zeefplaatschotels genomen. Deze

zeefplaatscho-e-ervJJf tels hebben gaten van

5

mm.in een driehoekspatroon met een steek

I·vy

ç~'v van.'.18 mme

Verder gelden voor de kolom de volgende praktijkgegevens:

Cl.-

~tt-J~\

a. sehotelrendement is

60 %.

,---b.schotelhoogte is

0,6

m.

c.gassnelheid is

0,6

mjsec.

~

10

Daar het schotelrendement

60 %

is,telt de kolom

'9

=9

-

=

15 scho-tels waarvan er dus

5

boven en

9

onder de voedingsschotel.

De schotelhoogte is

0,6

m,de totale hoogte van de kolom is dan

15.0,6 =

9

m.

De diameter van de kolom wordt bepaald door de dampsnelheid.

Bij

273

·K heeft 1 mol gas een volume van

22,4.10- 3

m

3

.De gemiddel-de kolomtemperatpur is 110

'e

of

383

·K.

Uit deze gegevens is de volume stroom als volgt te berekenen:

-3 383

3

volumestroom

=

22,4.10 .273.3,366

=

0,1058

m Isee.

Bij een superfiei~le gassnelheid van 0,6 m/see wordt de doorsnede vaw.de kolom:

0'è~~8

=

P,176

m2 ;

De bij deze doorsnede behorende diameter bedraagt

0,48

m. Als kolomdiameter wordt nu genomen: d

=

0,50

m.

(34)

~="-~---l .

[

.

r:

r .

l

r~ l ,

n

6.2.1. Warmtebalans

over de destillatiekolom.

6.2.1.1. Reboiler.

De temperatuur van de reboilerinhoud is 123,5 ·C.ln de rebàiler

wordt per

sec. 0.2134

mol

crotonaldehyde,2,318 mol tolueen en

0,8357

mol

azijnzuuranhydride verdampt.

Hiervoor is nodig 0,2134.30 + 2,318.32,8 + 0,8357.40,8 = 116,5 kW.

In de reboiler

wordt

de vloeistof,die van de onderste schotel

(schotel 15)

komt,

opgewarmd tot 123,5 ·C.De temperatuur van de

vloeistof op de onderste schotel wordt als volgt bepaald:

T(L')

=

0,2134

10 2,3330 11

6 0,8494 138 6

3 ·C •

.

3,3965·

2,2 +3,3965'

0,

+

3,3965'

,

=

117,

De temperatuur op de schotel is nu: 123,5 - 0,6(123,5 -117,3)

=

119,8 ·C.De benodigde

warmte

voor de opwarming van 119,8 ·C. tot

123,5 ·C.

bedraagt:~w

~

0,2134.183.3,7

,

+

2,3330~184,4.3,7

+ 0,8494 •

• 210.3,7 + 0,0573.0,47.4,187.3,7 + 0,0029.(63,2 + 0,531.174,2) •

• 4,187.3,7 = 3,12

kW.

Totaal dus noiig: 119,62 kW.

6.2.1.2. Kondensor.

De temperatuur in de kondensor is 101 ·C.ln de kondensor wordt

per sec. 1,464

mol

crotonaldehyd~,1,900

mol tolueen en 0,002 mol

azijnzuuranhydride

gekondenseer~.

Hierbij komt vrij: 1,464.31 + 1,900.34,2 +0,002.42,6 = 110,54 kW.

De eerste schotel,waar damp VI en vloeistof L

1 vanaf komen,heeft

een temperatuur van 107,0 ·C.(0,409.102,2 +0,590.110,6 +0,001 •

• 138,6

=

107,0

·C~.In

de konuensor

wor~

VI afgekoeld van

~

·C.

tot 101 ·C.Hierbij komt aan

warmte

vrij:

=1,464.170,5.6 + 1,900 •

...--: w

.179.6 + 0,002.206.6

=

3,56 kW.

Totaal moet dus 114,1 kW afgevoerd worden.

Warmtebalans: Q(stroom9A) + Q(reboiler)

=

Q(stroom 10) +

+ Q(stroom 12) + Q(kondensor)

De warmteinhoud van stroom 10 bedraagt:

0,732.162,4.46 , r+~ 0,950~17~,1,46~+

0,001.197,2.46

=

13,01 kW.

De warmteinhoud van stroom 12 bedraagt:

0,001.167,4.68,5 + 0,015.175,1.68,5 + 0,0137.202,4.68,5 + 0,0573 •

• 2000.0,451.4,187.68,5 + 0,0029.(6,31 + 91,0).4,187.68,5 '" 15,26 kW.