FVO melkzuurfabriek: Base case

29 april 1993

Technische Universiteit Delft

Fakulteit der Scheikundige Technologie

J.A. Schokker A. van Straalen

INHOUDSOPGAVE 1. SAMENVATTING 2.KONKLUSIE EN AANBEVELINGEN 3.INLEIDING 3.1 Doelstelling 3 . 2 Algemeen

4.UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP 4.1 4.2 4.3 Kapaciteit Fysische konstanten Korrosie

5.BESCHRIJVING VAN HET PROCES

5.1 De batchgewijze fermentatie 5.2 De continue opwerking 6.PROCESKONDITIES 6.1 De batchgewijze fermentatie 6.1.1 Kinetiek 6.2 De continue opwerking

6.2.1 De verestering van melkzuur 6.2.2 De hydrolyse van methyl lactaat 7.APPARATENBEREKENING 7.1 Fermentoren 7.1.1 Algemeen 7.1.2 Verdere dimensionering vld fermentoren 7.1.2.1 Afmetingen 7.1.2.2 Roersnelheid, circulatietijd en vermogens inbreng door de roerder 7.1.2.3 Neutralisatie met Ca(OH)2

7.1.2.4 Warmteproduktie 7.2 De 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 continue opwerking Opslagtank (S7) Flocculatietank (R9) Bezinktank (VlO) Filter biomassa (F11) Evaporators (T13, T14

J.A. Schokker & A. van Straalen

en T15) pag 4 5 6 6 6 8 8 8 8 9 9 9 11 11 11 13 13 13 15 15 15 15 15 15 16 17 22 22 22 22 25 28 april 1993

7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.2.9.1 7.2.9.2 7.2.9.3 7.2.9.4 7.2.9.4 Aanzuurtank (R18) Filter gips (F19) Evaporators (T20, T21 en T22) De verestering Veresteringsreaktor (R26) Destillatietoren (T27) Destillatietoren (T28) Hydrolysereaktor (R29) Destillatietoren (T31) 8.MASSA- EN WARMTEBALANS

9.0VERZICHT SPECIFIKATIE APPARATUUR 10.KOSTEN 10.1 Produktiekosten 10.1.1 Investeringskosten 10.1.2 Loonkosten 10.1.3 Variabele kosten 10.1.4 Berekening produktiekosten 10.2 Rentabiliteit, ROl en IRR

10.2.1 Return on Investrnent (ROl) 10.2.2 Internal Rate of Return (IRR) 11.SYMBOLENLIJST

LITERATUUROVERZICHT Bijlagen

I. uitdraai ASPEN van de verestering.

J.A. Schokker & A. van Straalen

31 33 34 35 35 35 35 35 35 37 38 39 39 40 41 41 42 42 43 43 44 45 47 april 1993

1. SAMENVATTING

Aan de doelstelling om een melkzuurfabriek te ontwerpen, waarbij het melkzuur batchgewijs fermentatief wordt gevormd, is voldaan. De jaarlijkse produktie bedraagt 19.600 ton in een waterige oplossing van 83 massa%. De uiteindelijke heat stabIe kwaliteit is bereikt middels verestering met methanol.

Het probleem van deze methode van melkzuurbereiding is duidelijk naar voren gekomen; tijdens het proces ontstaat namelijk een enorme hoeveelheid gips, namelijk 8.800 ton per jaar. Zolang er vraag is naar gips is dit niet zo'n groot probleem. Het is echter moeilijk te voorspellen hoe de markt voor gips er in de toekomst uit zal zien.

vanui t ekonomisch standpunt bez ien, is het voorontwerp interessant. De jaarlijkse winst bedraagt 14.2

Mf.

Hierbij is uitgegaan van een verkoopprijs van f4,20 per kg (zuiver) melkzuur. Ui tgegaan is van de verondersteling dat het geproduceerde gips netto niet bijdraagt aan de balans.

De ROl heeft een waarde van 85% en de IRR een van 0.92.

2.KONKLUSIES EN AANBEVELINGEN

De batchgewijze fermentatieve produktie van melkzuur is technisch gezien zeer goed mogelijk met tevens goede ekonomische perspektieven.

In dit ontwerp is echter duidelijk naar voren gekomen dat het ontstane gips bij deze manier van produktie een probleem vormt. Wat dit betreft zou het de aandacht verdienen om andere processen zonder de gipsvorming te bestuderen.

De uiteindelijke opwerking door middel van verestering met melkzuur is volgens de literatuur goed uit te voeren met goede resultaten; het zou zelfs de beste manier zijn. Bij dit ontwerp is dan ook gekozen voor een veresteringsstap. Deze verestering is op een eenvoudige wij ze met behulp van ASPEN gesimuleerd. Het verdient aanbeveling om in een eventueel vervolg van dit projekt de aandacht goed te richten op deze verestering.

Wegens tijdgebrek is het niet gelukt de warmtebalans helemaal kloppend te maken. Hieraan zou meer aandacht besteed kunnen worden tijdens een nadere uitwerking van dit voorontwerp.

3. INLEIDING

3.1 Doelstelling

In het kader van het Fabrieksvoorontwerp voor Scheikundig Technologen aan de Technische Universiteit te Delft heeft een groep van tien studenten zich bez ig gehouden met het fermentatieve produktieproces van melkzuur of 2-hydroxypropaanzuur (CH₃-CHOH-COOH). De belangrijkste bottle-neck is de verzuring die tijdens de fermentatie optreedt en die in het huidige proces leidt tot kalkgebruik, een aanzienlijke gipsproduktie, biomassavorming en verschillende bijprodukten.

De doelstelling van het gehele projekt is om het belang van de bottle-necks te kwantificeren en om de mogelijkheden van een aantal geïntegreerde procesalternatieven na te gaan. Deze alternatieven worden vergeleken met de base-case van het huidige proces.

In dit Fabrieksvoorontwerp staat de zogenaamde base-case van het produktieproces centraal. Het melkzuur wordt middels batchgewijze fermentatie gevormd, waarna opwerking plaatsvindt tot zogenaamde "feed-quali ty" of "heat-stable-quali ty"-melk-zuur.

3.2 Algemeen

Melkzuur werd in 1780 door de zweedse scheikundige Carl wil-helm Scheele (1742-1786) ontdekt in zure melk. Blondeau ont-dekte in 1847 dat het een produkt was van fermentatie. Charles E. Avery wist in 1881 voor het eerst melkzuur op een commerci-ële wijze te produceren als substituut voor tartraten in bakmeel. Deze eerste poging om melkzuur te produceren was geen succes, maar de industriële toepassingen voor leer, textiel en voedsel kwamen niet snel daarna op gang. Vanaf dat moment heeft de produktie van melkzuur een groei doorgemaakt tot een wereldjaarproduktie van ongeveer 30.000 ton.

Melkzuur komt voor in twee optisch aktieve isomeren, het linksdraaiend L(+) en het rechtsdraaiend R(+). Bij fermentatie wordt meestal slechts een van de twee optisch aktieve isomeren gevormd, maar door verhitting in aanwez igheid van het enzym racemase kan het eindprodukt een racemisch mengsel gevormd worden.

De belangrijkste soort melkzuurbacterie die homofermentatief melkzuur produceert is Lactobacillus Delbruckii. Wei, melasse en aardappelen kunnen als substraat dienen; de enige voorwaar-de is dat het substraat suiker bevat.

Melkzuur wordt verkocht in vier graden van zuiverheid met verschillende concentraties:

1. Technical grade

De ruwe of technische graad melkzuur wordt zonder zuive-ring uit het fermentatieprodukt gemaakt en bevat zodoende nog veel verontreinigingen. Deze melkzuurgraad vond vooral toepassing bij de leerproduktie, maar is nu gro-tendeels vervangen door andere zuren. Hiermee is de markt voor deze graad melkzuur verdwenen.

2. Edible grade

De eetbare graad heeft een lichtgele kleur en is ontdaan van de meeste verontreinigingen, zoals koper- en lJ zer-zouten. Dit melkzuur wordt vooral gebruikt in de levens-middelenindustrie voor smaak-en struktuurverbetering en als natuurlijk konserveringsmiddel.

3. Plastic grade

Dit is een kleurloos produkt dat is ontdaan van vrijwel alle verontreinigingen en wordt verkocht in concentraties van 50% tot 80%. Om deze graad van zuiverheid te bereiken dient een extra zuiveringsstap in het produktieproces opgenomen te worden, zoals extraktie, stoomdestillatie of verestering met een alkohol. Zoals de naam al zegt, wordt dit melkzuur gebruikt in de plasticindustrie.

4. U.S.P. grade

Deze graad is evenals de plastic grade zo goed als vrij van onzuiverheden, maar heeft een concentratie van 85%. Dit zeer zuivere melkzuur dient als grondstof voor de farmaceutische industrie.

4.UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP 4.1 Kapaciteit

uitgangspunt van dit fabrieksvoorontwerp is een netto jaar-lijkse produktie van 20.000 ton melkzuur van U.S.P. grade met als grondstof glucose. Leidraad voor dit fabrieksvoorontwerp is het huidige produktieproces van PURAC te Gorinchem. Middels batchgewijze fermentatie vindt de produktie van het melkzuur plaats, waarbij kalk de zuurgraad konstant houdt. Hierna vindt in een kontinu proces de zuivering van het produkt plaats.

Bij dit voorontwerp is uitgegaan van jaarlijks 8000 bedrijfs-uren.

4.2 Fysische konstant en

Het kookpunt van melkzuur is afhankelijk van de druk; bij 1 mm Hg bedraagt hij 85

oe

en bij 15 mm Hg 122°C.

4.3 Korrosie

Het korrosieve gedrag van melkzuur is de oorzaak van een skala aan technische problemen gedurende de produktie van melkzuur. Melkzuur is een van de moeilijkste zuren om mee om te gaan. Informatie over korrosie in industriële apparatuur ontbreekt echter vaak. Omdat melkzuur zich ruwweg gedraagt als azijn-zuur, kan informatie over azijnzuur onder voorbehoud worden toegepast op melkzuur.

In ieder geval kan gesteld worden dat maar weinig metalen

geconcentreerde oplossingen bij hoge temperaturen kunnen

weerstaan. In de eerste plaats zijn dat de edelmetalen en verder titanium, vanadium, chroom en molybdeen. Een bijzonder

bruikbare legering die voldoende korrosiebestendig is, is

roestvrij staal met molybdeen, het zogenaamde type AISI 316.

[Holten, 1971J

5.BESCHRIJVING VAN HET PROCES

Dit ontwerp kan verdeeld worden in twee gedeeltes. Het eerste gedeelte wordt batchgewijs bedreven en bevat de eigenlijke produktie door middel van fermentatie. Het tweede gedeelte wordt continu bedreven en is niet anders dan de opwerking van het geproduceerde melkzuur.

5.1 De batchgewijze fermentatie

Het hoofdonderdeel van het batchgedeelte is de hoofdfermentor (R5), waarvan er eigenlijk vier zlJn. In het batchgedeelte worden namelijk vier batches naast elkaar gedraaid. Deze hoofdfermentor draai t 20 uur en wordt beënt met een prefermentor (R4) die op zijn beurt weer wordt beënt met een andere prefermentor (R3). De fermentatie vindt bij een temperatuur van 45°C plaats en de pH wordt op 4.5 gehouden door toevoeging van kalk.

De fermentoren bevatten naast een toevoerleiding voor het medium ook een toevoer voor stoom voor de sterilisatie.

5.2 De continue opwerking

Het fermentatieprodukt wordt naar een opslagtank (S7) gepompt, vanwaaruit de continue opwerking gevoed wordt. Allereerst wordt gezorgd voor uitvlokking van de biomassa door verhoging van de temperatuur tot 80°C en pH 9 (R9). De ontstane slurry

wordt ingedikt (VlO) en gefiltreerd in een roterend

trommelfilter (F11). Vervolgens wordt in een evaporatiestap (T13, T14 en T15) het melkzuur geconcentreerd tot 40%.

De oplossing bevat echter nog een grote hoeveelheid kalk, dat wordt neergeslagen als gips door toevoeging van zwavelzuur (RI8). Het gips wordt afgef i 1 treerd in een tweede roterend trommelfilter (FI9). In een tweede evaporatiestap (T20, T21 en T22) vindt vervolgens een concentratie van het melkzuur tot 85% plaats.

De laatste zuiveringsstap tenslotte is de verestering van het melkzuur met methanol onder een druk van 5 bar (R 26). Het niet omgezette melkzuur en de nog aanwezige verontreinigingen gaan over de bodem van destillatiekolom (T27). In een tweede destillatiekolom (T31) wordt het niet-omgezette melkzuur over de top geleid en teruggevoerd naar de veresteringsreaktor. De verontreinigingen verdwijnen over de bodem.

Het topprodukt van destillatiekolom (T27) dat methanol,

methyl laktaat en water bevat, wordt naar een derde

destillatiekolom (T28) gevoerd, waar het methanol over de top gaat en teruggevoerd wordt naar de veresteringsreaktor . Het

bodemprodukt van destillatiekolom (T28) wordt in de

hydrolysereaktor (R29) gebracht, alwaar het methyl laktaat wordt gehydrolyseerd en de ontstane methanoldamp terug wordt gevoerd naar de veresteringsreaktor.

6.PROCESKONDITIES

6.1 De batchgewijze fermentatie

6.1.1 Kinetiek van de melkzuurvorming door L. delbrueckii

De fermentatie vindt plaats bij 45°C, het temperatuuroptimum voor L.debrueckii. Bij deze hoge temperatuur groeien de meeste andere bacteria niet en zo wordt de kans op infectie klein. Dit was ook een criterium voor de keuze van L. delbrueckii boven en andere melkzuurproducenten die lagere optimumtemperaturen hebben.

Melkzuur heeft een remmend effect op zowel celgroei als zijn eigen productie. [Friedman & Gaden,1970][Vickroy,1982]

Het blijkt dat ongedissocieerd melkzuur de primaire oorzaak van dit effect is. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de ontkoppeling van membraanprocessen door het ongedissocieerde melkzuur waarvoor de bacteriële membraan goed permeabel is. Ook vindt er substraatinhibitie plaats door glucose.

Een model om deze inhibitoire effecten te beschrijven is gegeven door Goncalves et al.,1991, die batch en continu experimenten hebben uitgevoerd met L. delbrueckii NRRL B445. In formulevorm kan dit model als volgt worden weergegeven:

1) Biomassagroei: dX - =

x.

(I'-Kd) dt Jl • ~. (l-~) ~.71. <l-~} ~.1. S~ F.Jt 2) Substraatconsumptie: 3) Melkzuurproductie: met: <iS de l i _{r -}K _d

• -x. - -

+ lIl.l;l Y1TZ afsterfconstante

ms = 0.1 J..I. max = 0.406 Pm

=

81.00 Y_sp = 0.94 Y_sx = 0.03 i maintenance coefficiënt i maximale groeisnelheid i maximale productconcentratie

Met deze gegevens is het proces te simuleren met het programma PSI-c, het aldus verkregen verloop is te zien in fig.1

.Jame : ,ex: , _, , '. , / , _, , / X 11 r

-

,

~

/ ,I '--S 110 P 110 Tllï ... ~ ~

.

,

-' - -' - . . . _ J - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ -... ..: .. ,;-.::_-,.. " . -' --' ~ - -.... _---.... _---,ll n : 0 0 0 I~

~ct ; ~'. I~; "~I~:: ~<'. I~I r:~=

-:

~. ~':~~:' 2"7

Fig. 1 Verloop fermentatieproces, Xi biomassaconcentratie, Si substraatconcentratie, Pi productconcentratie.

Zoals te zien is in fig.1 is met deze bacteriestam de gewenste eindconcentratie melkzuur van 100 gl I niet te halen, ook de biomassa blijft sterk achter. Dit is te wijten aan het feit dat het hier niet om een sterk geoptimaliseerde productiestam gaat maar om een wild-type.

In de literatuur zijn stammen beschreven die zonder moeite producties van 100 gil en celdichtheden van 10 gil halen, we hebben daarom deze waarden genomen als eindwaarden voor de

fermentatie. [Atkinson&Mavituna,1991]

6.2 De continue opwerking

De batchgewijze fermentatieve bereiding van melkzuur is relatief goedkoop en eenvoudig. De verwijdering van de biomassa en calciumionen als gips is met filters goed uit te voeren.

6.2.1 De verestering van melkzuur

De batchgewijze fermentatieve bereiding van melkzuur is relatief goedkoop en eenvoudig. De verwijdering van de biomassa en het kalk als gips is met filters goed uit te voeren. Het zuiveren van het fermentatief bereide melkzuur tot U.S.P. grade is moeilijk, vanwege de lage 'dampspanning, de neiging tot zelfverestering , vergelijkbare eigenschappen met water en de aanwezigheid van onzuiverheden als eiwitten, anorganische zouten en suikers. [Filachione, 1946J

Daarom is een speciale zuiveringsstap nodig, zoals extraktie met ether, stoomdestillatie of een veresteringsreaktie met een alcohol.

In dit proces is gekozen voor een veresteringsreaktie met methanol, omdat deze zuiveringsstap beschouwd wordt als de meest praktische. [Schopmeyer, 1954J Geadviseerd wordt om het methanol als damp door het ruwe melkzuur te voeren bij een temperatuur van cirka 1000C. Ongeveer 9 mol methanol is nodig om 1 mol melkzuur uit een 82% melkzuur-oplossing te veresteren. [Filachione, 1946J Het melkzuur wordt dan vrijwel kwantitatief -als melkzuur of zijn methylester- door de metha-nolstroom verwijderd uit de ruwe oplossing. Onzuiverheden als anorganische zouten, eiwitten en koolwaterstoffen blijven achter. [Filachione, 1947J

Bij bovengenoemde omstandigheden en onder atmosferische druk is in 2.5 uur een conversie van 85% te bereiken. [Filachione, 1946J

De evenwichtskonstante onder deze kondities is K ~ 2.98. [Troupe, 1950J

In dit voorontwerp is gekozen om de verestering onder een druk van 5 bar te laten plaatsvinden, zodat het methanol vloeibaar wordt en de reaktie in een fase plaatsvindt.

Korrosie vormt een probleem tijdens de verestering, vanwege de hoge concentratie melkzuur gecombineerd met een relatief hoge temperatuur.

6.2.2 De hydrolyse van methyl lactaat

Na verwijdering van het niet gereageerde melkzuur en methanol is het melkzuur goed te hydrolyseren.

De tweede orde reaktiesnelheidskonstante bij 30°C is 25.9 10~ liter mol-I min. -I [Colon, 1953 J Bij een temperatuur van 1000 is deze reaktiesnelheidskonstante zelfs 1000 à 1500 keer zo groot. [Holten, 1971J

Net als tijdens de verestering vormt korrosie hier een probleem, waar rekening mee moet worden gehouden.

7.APPARATENBEREKENING

7.1 Fermentoren 7.1.1 Algemeen

Voor een productie van 20.000 ton melkzuur per jaar, uitgaande van een concentratie van 100 gil melkzuur aan het eind van het batchproces is er een totaal reactorvolume van 900 m3 _nodig. Vanuit een zuiver kostenoogpunt zou de beste oplossing 1 grote

fermentor van 900 m3 _{zijn, maar omdat de fermentor na afloop} van de fermentatie geleegd en schoongemaakt moet worden, hetgeen een "down-time" van enkele uren oplevert, zou de downstream-processing niet continu kunnen verlopen. Ook wegens bouwkundige problemen (de enorme grootte van de fermentor) moet er voor een aantal kleinere fermentoren worden gekozen. Bij 2 fermentoren van 450 m3 _{speelt het afmetings-probleem nog} steeds een rol. Vooral de titratie met Ca (OH) 2 zal nogal wat

pH-gradiënten in het vat geven, hetgeen aanleiding zal zijn tot cellysis . Dit zal een lagere celdichtheid , en dus een lagere productie, ten gevolge hebben.

Een betere oplossing zal 4 fermentoren van 225 m3 _bevatten, hetgeen ook vanuit een veiligheidsaspect bezien gunstiger is

(als er één fermentatie mislukt is er een veel kleiner volume verloren als in het geval van 2 fermentoren) . Het meest optimale aantal fermentoren hangt ook af van de kosten per fermentor per volume. Wegens tijdgebrek hebben wij deze optimalisatie niet meer kunnen uitvoeren en zijn wij voor het verdere ontwerp uitgegaan van 4 fermentoren.

7.1.2 Verdere dimensionering van de fermentoren 7.1.2.1 Afmetingen:

V= 225 m3 _{werkinhoud van de fermentor}

H= 6.60 m vloeistofhoogte in de tank (uit H/T= 1 en V)

T= 6.60 m tankdiameter (idem. )

0= 2.20 m roerderdiameter (uit D= 1/3 T) w= 0.55 m breedte roerderblad (uit w= 1/4 0) 1= 0.45 m hoogte roerderblad (uit 1= 1/5 0) h= 2.20 m hoogte roerder boven vatbodem(uit h= D)

7.1.2.2 Roersnelheid , circulatietijd en vermogens inbreng door de roerder:

Als roerder is een Rushton-turbineroerder op een centraal gelegen as gekozen. Het doel van de roerder is het in suspensie houden van biomassa, er is aangenomen dat bij het begin van de fermentatie, als de fermentor net beënt is, er geen gradiënten in het vat voorkomen. Als er al gradiënten voorkomen zullen deze relatief gezien nogal klein zijn daar de

initiële substraat concentratie hoog is en de initiële biomassaconcentratie laag is.

De minimale roersnelheid (S-I) nodig om een deel tj esfase (biomassa) in suspensie te houden, kan berekend worden met de formule van Zwietering (1958):

met:

d = 1.10-6 _{m i diameter deel tj es biomassa.} p

~ = 55.26 m2_{/s ikinematische viscositeit water 45°C.} x = 0.01 (~10 gil) igewichtsaandeel deeltjesfase. Substitutie van deze waarden en de dichtheden geeft N_min= 6.2 10-2

S-1 (= 3.72 rpm).

(7.1)

Het Re-getal wordt dan 5 105

, het toegevoerd vermogen kan nu

worden berekend met:

(7 .2)

met voor een turbineroerder in een "gebaffled" vat Np=6 geeft

dit een toegevoerd vermogen van 73 W.

[van 't Riet & Tramper, 1991J)

7.1.2.3 Neutralisatie met Ca(OH)2

De PH van de fermentor wordt met Ca(OH)2 op pH=5.5 gehouden. De eindconcentratie van melkzuur in de fermentor bedraagt 100 kgjm3 _{= 1.11 molj 1.} Er geldt: en en [Z-] • [H·] [HZ] [HZ] of. lZ-]

=

1.11 mol/l

J.A. Schokker & A. van Straalen

(7.3)

(7.4)

(7.5)

Als vereenvoudiging wordt gesteld dat alle Ca(OH)2 op het eind wordt toegevoegd.

Voor toevoegen Ca(OH)2 krijgen we door combinatie van relaties 1 en 3: [HZ]=0.46 molll en [Z-]=[H+]=0.65 molll

De H+-concentratie moet van 0.65 molll naar 3.2 10-6 _molll

worden gebracht, dit kan door 0.65-3.2 10~ = 0.65 molll O~ toe te voegen. Dit komt overeen met 0.65/2=0.33 molll Ca(OH)2=24,42 kg/m3 _{dit komt overeen met een massaflow van 0.170 kgls} Ca(OHh·

7.1.2.4 Warmteproductie:

Door de biomassa wordt warmte geproduceerd, dit verwaarlozing van maintenance, recht evenredig

hoeveelheid omgezette glucose. Ook wordt er

geproduceerd door de vermogens inbreng van de roerder. -Fermentatiewarmte:

is, bij met de warmte

De reactiewarmte kan worden berekend uit bindingsenthalpie tussen glucose en melkzuur. tabel 1.

het verschil in Dit is gedaan in

Tabel 1. Berekening reactiewarmte.

binding glucose 2*melkzuur netto enthalpie

aantal kJ/mol C-H 7 8 +1 -413,2 C=O 1 2 +1 -736.9

c-o

5 4 -1 +358.0 O-H 5 4 -1 +463.1 C-C 5 4 -1 +345.8 + 16.8

Per mol verbruikt glucose komt er dus 16.8 kJ Vrl], dit komt overeen met 93.5 kJ per kg glucose. Als we deze laatste waarde

nu vermenigvuldigen met de momentane substraat

omzettingssnelheid, dS/dt, dan krijgen we de warmteproductie. Dit is gesimuleerd in PSI-c met de kinetische waarden van de eerder beschreven L.delbrueckii NRRL B445.

We kunnen voor de productiestam een gemiddelde warmteproductie berekenen door het overall glucosegebruik (kg) tijdens 1 batch te vermenigvuldigen met de reactiewarmte (kJ/kg glucose) en dit vervolgens te delen door de batch-tijd (24h = 86400s). De zo verkregen waarde bedraagt 16 kW per fermentor. De piekwaarde is bij de NRRL B445-stam een factor 4 hoger als de gemiddelde waarde. De minimale waarde is een factor 12 lager dan de gemiddelde waarde. Dit geeft voor de productie-stam een maximum van 64 kW en een minimum van 5.7 kW per fermentor. Dit is nogal een grove benadering, die wegens het ontbreken van nadere kinetische data is toegepast.

De warmtebalans per fermentor luidt:

r RT = r RS + r HM + r HW + r He ( W)

met :

r_HT = netto warmte geproduceerd (verloren). r_HS = warmte gedissipeerd door de roerder.

(7.6)

rHM = warmte geproduceerd door microorganismen (reactiewarmte) r_HC = warmte opgenomen/afgestaan door koel/verwarmingsspiraal. We stellen rm=O (steady state) en kunnen nu door het invoeren van de overige waarden rHC kunnen berekenen.

r_HW is berekend volgens rHW = hw.A.ST, met hw=15 W/m

2_{oC, A=A}

tot

Adeksel=171m2 en óT=45-15=30oC geeft dit voor rHW 77kW (De

warmteweerstand van de wand zelf is verwaarloosd).

Netto zou er dus minimaal 77-64-0.073 = 12.9 kW en maximaal 77-5.7-0.073 = 71.2 kW aan warmte moeten worden toegevoerd om de broth op 45°C te houden.

Dit kan gebeuren met warm water van 60°C verwarmingsspiraal. Er is gekozen voor water van cellyse zoveel mogelijk te voorkomen. De waarde Nusselt-getal van een spiraal wordt beschreven door:

met:

d_s = 0.45 m

do = 0.475 m

;diameter spiraal

;buitendiameter spiraal De wanddikte van de spiraal is 5 mmo

Dit geeft Nu = 46318, uit de definitie van Nu volgt:

dus h coil = 4.42 103 • À -.Nu T voor een om het (7.7) (7.8)

De warmteoverdrachtscoëff iciënt van de wand van de spiraal, hw coil is te berekenen uit:

Nu_{w, coil} = 4. 93 =00 h_w, coil J.. --,-_ss_ *4.93 dw, coil 80.4 *4.~ 0.005 (7.9)

De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt, U, kan nu berekend worden met:

u=

1 1 1 + : -hcoil hw, coil (7.10)

Dit geeft U=4. 19 103 _{W /m}2_K.

Met deze gegevens en de maximaal toe te voeren warmte kan nu de oppervlakte van de spiraal worden berekend met:

Waarbij; Ti = 600

e

T_o = 500

e

Tb = 45°e

~w

=

UA(

;temperatuur ingaand water ;temperatuur uitgaand water ;temperatuur broth

Dit geeft A = 1.86 m2

Nu is Acoil = 1T.dp;jp.l, met d p;jp=d_o-d_s=O.05 m, dus 1=12m. De benodigde waterstroom is

=

71.2 J/S = 1.7 kg/s 4.2 J/kgK*10K

(7.11)

(7.12 )

Het hier voor opwarming gebruikte water van 600

e

_{zou verkregen}

kunnen worden door opwarming in een latere processtap, zodat er dus geen extra energie nodig is om dit water op te warmen.

7.2 De continue opwerking

7.2.1 Opslagtank (S7)

Tussen de batchgewij ze fermentatie en de continue opwerking van het melkzuur is het van praktisch nut een opslagtank te hebben. Deze opslagtank dient enerzijnds als voorraadvat om snel de batchfermentoren in leeg te pompen. Anderzijds is het handig om voor de opwerking die continu geschiedt een voor-raadvat te hebben dat voldoende fermentatievloeistof bevat om tijdens problemen met bijvoorbeeld de fermentatie door te kunnen draaien bij de opwerking.

De grootte van de opslagtank dient minimaal gelijk te z1Jn aan de grootte van een batchfermentor. Veel groter hoeft hij ook niet te zijn, omdat in geval van problemen bij de opwerking een batchfermentor eventueel ook als opslagtank kan dienen. Gekozen is daarom voor een opslagtank die een iets groter volume heeft dan een batchfermentor. Het volume van een batch-fermentor 225 m3

•

Het gekozen volume van de opslagtank is V = 250 m3 •

7.2.2 Flocculatietank (R9)

De flocculatie vindt binnen enkele seconden plaats. Een verblijf tijd van ongeveer een half uur moet voldoende zijn, waarmee het volume met de volumestroom op 10 m3

•

7.2.3 Bezinktank (VlO)

Het tijdens de flocculatie ontstane neerslag van biomassa en eiwitten moet afgefiltreerd worden. Om de volumestroom door het filter niet al te groot te maken, is het verstandig de vloeistof voor de f i I tratie in te dikken . Dit proces vindt plaats in de bezinktank, die niet anders is dan een indikker. Een continuous thickener (continue opererende bezinktank) heeft in het algemeen een cilindrische vorm en kan opgedeeld worden in drie zones (fig. 7.1). De bovenste zone is de zoge-naamde klaringszone, waar de heldere vloeistof wordt afge-voerd. In de middelste zone bezinken de deeltjes en in de onderste zone wordt de gevormde slurry door schrapers verza-meld. De voeding wordt onder de klaringszone ingevoerd, zodat de boven afgevoerde vloeistof helder is.

OVERFLOW CL"RIFYING

,

RAKE

OUTl[T

Fig. 7.1 Schematische doorsnede van een continuous thic-kener.

Het oppervlak van de bez inktank kan met de volgende formule bepaald worden [Coulson & Richardson, 1991):

A

=

~ (Y-z) C. Ps Hierin: A 4> Y Z C p

=

=

=

=

(7.13) oppervlak bezinktank

debiet ingaande stroom

=

25 m3 UU~I

massastroom-verhouding van vloeistof en vaste stof in de voeding = 96

massastroom-verhouding van vloeistof en vaste stof in in ingedikte slurry

=

24

concentratie vaste deel tj es in de voeding

= 12 kg m-3

bezinksnelheid van de vaste deeltjes in een batch systeem

dichtheid van voeding ~ 1100 kg m~

=

dichtheid van slurry ~ 1100 kg m-3

Voor de bezinksnelheid van een deeltje geldt volgens de formu-le van stokes [Akker, 1992J:

v

...

= Hierin: v .. = d

=

g = Pd = PI

=

11

=

(7.14 )

bezinksnelheid enkel deeltje

diameter vaste deeltjes = 3 10-3 m

zwaartekrachtversnelling = 9.81 m S-2

dichtheid vaste deeltjes dichtheid vloeistof

viscositeit vloeistof = 1 10-3 Pa s

Het dichtheidsverschil tussen vloeistof en deeltjes zal niet zo groot zijn. De aanname is dat dit verschil ongeveer 10 kg m-3 is. Als deze waarde ingevuld wordt in de formule van stokes dan wordt de bez inksnelheid Voo = 5.0 10-2 m S-I.

Richardson & Zaki geven een formule om de bez inksnelheid in

een zwerm vb af te leiden van de bezinksnelheid van een enkel

deeltje Voo [Akker, 1992J:

Hierin: € n

=

=

porositeit in bezinktank constante ~ 4.5 (7.15 )

Voor de porositeit in de bezinktank kan het gemiddelde worden genomen van de voedingsporositeit en de slurryporositeit:

(7.16 )

Hierin:

= porositeit ~ 0.9

= porositeit ~ 0.5

De gemiddelde porositeit € = (0.9 + 0.5)/2 = 0.7.

Voor de bez inksnelheid in de zwerm volgt nu met (7.15): v_b =

1. 4 10-2 _{m S-I.}

uit (7.14) volgt dat A

=

0.5 m2

Met behulp van de verblijf tijd kan de hoogte van de tank berekend worden. We nemen een gemiddelde stroom aan van (stroom in + stroom uit) /2

=

(25 + 6) /2

=

15.5 m3 _{uur-I. Een} bezinktijd van een half uur is genoeg [gegevens PURACJ.

Het volume van de tank komt hiermee op 7.75 m3

• De hoogte is 15.75 meter.

7.2.4 Filter biomassa (Fll)

De slurry afkomstig van de bezinktank moet gefiltreerd worden. Rotary drum filters (roterend trommelfilter) worden veelal gebruikt in de industrie [Atkinson, 1991J. Een trommelfilter (fig. 7.2) bestaat uit een holle horizontale cilinder met daaromheen het filtermedium. De trommel is gedeeltelijk ondergedompeld in de slurry. Het filtraat wordt door het filtermedium gezogen door een onderdruk (gedeeltelijk vacuum) in de trommel. Op het trommeloppervlak kan waswater gesproeid worden

Fig. 7.2 Doorsnede van een roterend trommelfilter.

De zogenaamde Ruth Equation beschrijft de roterend trommelfilter [Scarlett, 1990}:

filtratie met een

Hierin: '11 =

"

f =

öp

= Q = R = (7.14 ) viscositeit ~ 10~ Pa s weerstand filtermedium ~ 2.2 10-12 _{m kg-}I constante ~ 0.3

drukval over filter

=

0.5 105 _Pa

filtraatvolume per eenheid van oppervlak (m3 _m-2₎

koekweerstand (m-I )

t = tijd (s)

De koekweerstand kan worden uitgerekend met Kozeny-Karman vergelijking:

R

=

180 (1 - e}2

e3 _d2 (7.15 )

Hierin:

e

=

porositeit filterkoek ~ 0.6

d

=

diameter vaste deeltjes

=

3 10~ m uit deze vergelijking volgt dat R ~ 1.5 1~ ~I

Per uur moet 6.25 m3 _{worden verwerkt door het filter, dit is} gelijk aan 6.25/3600 = 1.7 10-3 m3

S-I.

Deze totale doorzet moet gelijk zijn aan N.A.Q. met:

= 1/60 S-I (1 omwenteling per minuut}

N

Q

=

0.055 m (onderdompeltijd per eenheid van

opper-vlak is 20 s, berekend met ) Hieruit volgt dat A

=

1.9 m2

Hiervoor kan een f i 1 ter worden genomen met een doorsnee D

=

0.8 m en een lengte L

=

0.8 m.

7.2.5 Evaporators (T13, T14 en T15)

De calciumlactaatconcentratie is maar 10% (gjg) om de

volumestroom te verkleinen en de concentratie lactaat te

verhogen vindt er een evaporatie-stap plaats tot een 40% oplossing. Er is gekozen voor een triple-effect evaporator met forward feed daar deze energetisch het meest efficiënt is. Er wordt verwarmd met verzadigde "droge " stoom van 394K en 2 Pa. Het product komt uit de derde trap bij een druk van 0.13 Pa. Het kookpunt van water bij deze druk is 325 K Voor de

berekening is de methode van Storrow toegepast. Er zijn

warmteoverdrachtscoëfficiënten voor de drie van

respectievelijk 3.1, 2.0 en 1.1 kWjm2_{K aangenomen. De}

temperatuur van de feed wordt 294 K gesteld. In de eerste stap condenseert een deel van de stoom om de feed tot het kookpunt te verhogen en een deel om te water te verdampen. In de tweede stap wordt dit verdampte water gebruikt om opnieuw water te verdampen. Hetzelfde gebeurt bij de derde stap.

De Cp van water is 4.18 kJjkgK gesteld.

We kunnen een massa-balans opstellen:

Ca-lactaat Water Totaal

kgjs kgjs kgjs

Feed 0.781 6.94 7.72

Product 0.781 1.17 1. 95

Evaporation 5.77 5.77

stel de overgedragen warmte is in alle 3 trappen gelijk:

Met de eindtemperatuur (=325 K) krijgen we dan:

EAT = 394 -325

=

69 K

Nu kunnen de eindtemperaturen in de trappen bepaald worden:

Omdat de feed eerst moet worden opgewarmt wordt het

temperatuurverschil in het eerste effect iets groter genomen (schatting). We krijgen nu:

De temperaturen in de drie trappen worden nu:

stel (bij benadering) de verdampte hoeveelheden per trap gelijk:

5.77

= 1.92 (kg/a)

Voor het opwarmen van de voeding van de tweede trap is nodig: 4.18 (7.721-1. 92) (376-358) = 436 kW

Voor het opwarmen van de voeding van de derde trap is nodig: 4 . 18 (7 . 721- 2 ( 1. 92) ) (358 - 325) = 535 kW

stel de verdampingswarmte in het hele systeem gelijk, namelijk het gemiddelde van die van 394 K, 2200 kJ /K, en 325 K, 2377 kJ/K, dit is 2289 kJ/K. De overgedragen hoeveelheden warmte in de trappen (Ql' Q2' Q3) en in de condensor (Qc) kunnen we nu aan elkaar relateren door de volgende vergelijkingen:

en:

Deze twee vergelijkingen samengevoegd geeft: Oa + Oa+436 + Oa+~71 • 5. 77 *228,~ • 13207 kW

geeft:

Q2 = 3933 kW

Q3

=

4278 kW

Ql 5919 - 29.3*D.T1

Substitutie van dit laatste in de vergelijkingen voor warmteoverdracht geeft:

en

en

Tevens geldt dat :

aT:1 +& T₂ +.6. T,. • i)~ K

De waarden voor de temperatuurverschillen moeten nu zo gekozen worden dat de overdrachtsoppervlaktes (A) voor de trappen gelijk zijn. Na enig proberen geeft dit:

ST_I Al ST2 A2 ST3 A3

16 110 17.5 110 35.5 110

Zoals te zien wijken de gevonden temperatuurverschillen niet te veel af van de aangenomen waarden en zijn de oppervlakten gelijk.

Het stoomgebruik van de eerste trap, en dus van het hele systeem, kan als volgt worden berekend:

=

De efficiëncy wordt beschreven door: Effici~cy-

=

v~Idampt8 Ji.r.1t~I

=

gebruikte stoom

J.A. Schokker & A. van Straalen

5.77 =2...A

2.4

7.2.6 Aanzuurtank (R18)

In deze tank wordt zwavelzuur (98%) toegevoegd om Ca-ionen neer te slaan als gips (CaS0_{4 ) .} Er wordt zo een oplossing met alleen melkzuur en nog enige verontreinigingen verkregen.

De massabalans luidt als volgt:

stof In uit kg/s kg/s Ca-lact. 0.49 0 Melkzuur 0.29 0.69 H2S04 0.22 0 Water 1.17 1.17 CaS04 0 0.31 Totaal 2.17 2.17

Door het gebruik van 98% zwavelzuur wordt er slechts een zeer kleine hoeveelheid extra water toegevoegd (nl. 4 10~ kg/s) . Daar deze reactie zeer snel plaatsvindt kan er volstaan worden met een klein reactorvat van 10 m3 _{met afmetingen:}

-

H = T = 2.34 m

-

0 = 0.78 m

-

w = 0.20 m

-

I = 0.16 m

-

h = 0.78 m - b = 0.23 m

De reactor is een CSTR, de turbineroerder dient in eerste instantie om de ontstane gipsdeeltjes in suspensie te houden. De roersnelheid kan met de formule van Zwietering (zie pag. 13) worden berekend. Stel de deeltjes zijn rond en hebben een diameter van 20 10-6

• Dit geeft Nmin= 1.72 S-I. Dit geeft Re=1.3

106 _{en een power number N}

p=6.

De mengtijd (tm) moet kleiner zijn dan de verblijf tijd (t=V/~v=

10/1.17 = 8.55 s).

De mengtijd kan berekend worden met [van ' t Riet (1991)]:

T 3

1.75 (15)

N No.33 P

Met tm=8. 55 geeft dit: N= 3.1 S-I.

Het roerdervermogen wordt dan [van ' t Riet (1991)};

Ps

=

51.6 kW

Warmtebalans

Het oplossen van zwavelzuur levert warmte op maar is hier

verwaarloosd.

Via de wanden van de fermentor, A= 25.8 m2

, wordt er

~w=-15*25.8*(To-T) Wafgevoerd. We kunnen nu de volgende

warmte-balans opstellen:

Het temperatuurverloop in de tijd en de netto warmteproductie is te simuleren m.b.v. PSI-c, deze simulatie is te zien in Fig.5 Name: t.1ax : T 350 netHeat ~ 50000 ; ... ... ... ...

///

...

.

.

...

.

Mln: 310 - 25000 Act: ... ' '.Z':;'::':,;·::·:; ... ,..0' •••.••.••

Er wordt een evenwicht bereikt

warmteverlies van 34.5 kW.

J.A. Schokker & A. van Straalen

.~:

bij T=332 K met een

7.2.7 Filter gips (F19)

Het ontstane gipsneerslag in aanzuurtank R9 wordt

afgefil-treerd in een roterend trommelfilter, dat op 0.5 105 _{Pa wordt}

gehouden. De berekening verloopt vergelijkbaar met de filtra-tie van biomassa.

De gipsdeeltjes hebben een diameter d

=

20 10~ m en de

gips-koek heeft een porositeit € = 0.8.

Hieruit volgt met (7.15) dat R = 2.0 108 _~1

Met het doorzetvolume volgt dat A

=

2 m2

Hiervoor kan een filter worde gebruikt met een lengte en een doorsnede van 0.8 m.

7.2.8 Evaporators (T20, T21 en T22)

In deze tweede evaporatiestap wordt de melkzuur-ooplossing van 37% naar 85% gebracht. Voor de berekening werd opnieuw de methode van storrow gebruikt (zie T8) .

De volgende massabalans kon worden opgesteld:

sol. liq. tot.

kgjs kgjs kgjs

feed 0.69 1.17 1. 86

prod 0.69 0.12 0.81

evap 1. 05 1. 05

Verdampte hoeveelheden water per trap: Dl = O2 = 03 = 1.05 j 3 = 0.35 kg j s

Als waarde voor de Cp wordt het gemiddelde van de Cp' s van de 37-en de 85% oplossing genomen dit geeft Cp,gem = 2.9 kJjkgK. Oplossen van de warmtebalansen met Al=A2=A3 en L:óT=69 K gaf: Ql= 1005 kW Q2= 711,6 kW Q3= 790.4 kW stoomgebruik 19 Ol St<)omg~bIuik

=

=

I 1.1)00

= ().

44. kg/s 2289 Efficiency 1. 05 Efficiency

= -

=

3.4 0.44 36 20

J.A. Schokker & A. van Straalen april 1993 I1

7.2.9 De verestering

7.2.9.1 Veresteringreaktor (R26)

In deze kolom worden het ruwe melkzuur en de methanol onder een druk van 5 bar ingevoerd. De verblijf tijd in deze reaktor dient tweeënhalf uur te zijn om de de conversie te halen. Met een volumestroom van 4.5 10-3 m3

S_I en de boven vermelde verblijf tijd komt het volume hiermee op 40 m3_•

7.2.9.2 Destillatietoren melkzuur (T27)

voor verwijdering niet-omgezet

Het doel van deze kolom is, om het niet-omgezette melkzuur en de "zware" verontreinigingen te verwijderen.

De hoogte van een destillatiekolom kan worden bepaald met de volgende formule [Olujic, 1993J:

hcol

= (

N - 1 ) T s + 1. 5 + 2. 5 + 2 ( hierin: h N_col T_s = hoogte kolom (m) aantal schotels

= ruimte tussen schotels ~ 0.3 m

Met behulp van Aspen is berekend dat het aantal schotels N

=

23. De hoogte van de kolom komt hiermee op 12.6 meter.

Voor de diameter is 0.3 meter genomen [Coulson, 1983J.

7.2.9.3 Destillatietoren voor de verwijdering van methanol (T28)

In deze kolom wordt voor de hydrolyse het methanol verwijderd dat niet gereageerd heeft.

Met behulp van Aspen is berekend dat het aantal schotels N =

15. De hoogte van de kolom wordt 10.2 meter. Voor de diameter is weer 0.3 meter genomen. 7.2.9.4 Hydrolysereaktor (R29)

De hydrolyse vindt bij een temperatuur van 100

oe

binnen enkele minuten plaats, waarbij het methanol verdampt wordt. De volumestroom is 8.7 10-4 m3

S-I. De verblij ftijd wordt gesteld op een half uur.

Het volume wordt hiermee 1 m3 •

7.2.9.5 Destillatietoren voor de verwijdering van de verontreinigen uit het niet-omgezette melkzuur (T31) In deze kolom worden de zware verontreinigingen uit de stroom

niet-omgezet melkzuur gehaald. Deze stroom is afkomstig van de bodem van destillatiekolom T27.

Met behulp van Aspen is berekend dat het aantal benodigde

kolommen N = 5 bedraagt. De hoogte van de kolom wordt 7.2

meter. Voor de diameter is weer 0.3 meter genomen.

?)

, Componenten

I

1

J--.

'3

4

_

_

,

C?

ILA

ro<,p

I o,G4C!

L

u{

=-

_

G~I

o,urJc..

S

I

I

o/uocS> I 0

/ " ] - f J

,---

rN-

H

4)1

H'?04

_

r7 n /17 .r ' ,ê~J' '7 () 0 () I I

-f ' I I I

._.

5~eXh

.r6

c k /) /fOf) ,':1" 0 ''') n 1<-i 0 D 2

L{

0

, ( A 20 t eL

0

jL.

! ' r /, I rJ I

6

qL.;

n

I I

'Y.2 / r ... j ' <'-"J I I

_ .. )Me\ 7 v"v...\.(' r-, 'I"~ ,-.. /I-.r, nbct n

.

j

"

.J

__

___

e

CA,

l

0\-1 '1 Q , /1 "1 n '" -17/)

2. :::;7

,"IC)'; L,ckle=zu..'iC\ó _ n " '7')c, ,,,..;:" "'7'rz.CL1Ó3 D I I ' J / I I ___ L l " ,)Û' \CC 7 rO\C(?!

\",(?\Jv\

fA ~<:'c.... Totaal Apparaa tS'troom , Componenten C lu('uc:..<2 J ' ___ ~t;ILI6~~~?Oli Ct. 'IC,\ c')(r I[ r, r \---> . _ .. i,..<'J..2LA \ e· c . r\\.t.7 ,1.,\\\1 " '

_

_

Cc-

(OU)b

i " (\ ~. (1 -7 A r .~ ____ Zk\2~~~ :ZI..A.\I'e,...~

\

:l

'Il>l,v( Cl ss~ Totaal: M in kgf !') Q in kW ( ) ( , - ; Îo, ,-1ri ":J 7 "l4. -1Ó D " J ' ~

o

0 ? ,C,1 ' 10') 0 J

7

,

7

06

7,

87

6

7/rJ7C

2r;7-

1ÓC, M

Q

M Q

M

Q

M

Q

M

Q

G

-I

₈

_<3

₁₀

o UO,) 0 006 0100

1

oODl 0 0 0 0 0 0 C/o'l6. f ) rJ1/} 0 006 éJ

oob

n

;;

el

I

C; J.

o

e;

-17<t::: 1 "Î~';- ( / 'J

o~&

O,C;2 r7 -172. o -17'1- ( ) , J o o~'L () -17-/7 (

''''

-',

-r

...

l

(

:)

(7 nb '1_ ( / f ' 7 ']Q /fÓ} Ç( .~ 1-1 C -) 1./{L 1n'J 1

/JJ

/fó 0 -"7

')~

...fr-') r:-'/ "I " . . .. ---1-' 7":) -1 '?, J . 1(0 '''!' 1 ~2, -1({~

n

.J 'l \ 'j Cr'! -1/' () '1 (\ 1. AC--i C;J L ,Q11Öl. 'J .J J

7,

P7'

/.' - . .j 1 J){IO

1

,S

b1.

2,

0r1,10-2 'J ( J -" _I

Apparaatstroorn M

+

Componenten ~1

fl'À{o

c.

e

0,00/1

:,:~

.-

~

L'~

So

~

I 0 _ _ ~~\,' C,+ ,~b(r, c ~

o

,

u21

-

_'6

_§~

{ \ 'Cl \ e.' __ .. _ .. ~"J.., \ C \

\"':Z

! -\ \ \ ~

~1x-r

....

__

(

6'

(Ol~

)

7

(')

, / ~:z.J , Q

_

.

_.

_

L.c ""

I: c 2 1,\ ~ - "--"7, '20. .10 -../ _ _ 0 _:~7 .L::i..2r~ '.{ c :z: (t! ... s:: 1\/\ Z '2(' _~r/'

6;

rJ\,v\/, c,CoC, 0 \-\,<-S0 4 0 Totaal :

_7,

₈

₄

₇

Apparaa tstroom M

+

ComponeI!ten

/lb

Ot OUtS - -- CÇiLl& Çç,;lSC2

,

..

~ 5C2~ ___ D _ _____ , ~ç.!e-,..l;L" (\ __ .. _wc,~e:::.c -~ .. --~--vv:! d

\z.

Z 16 IA IJ ... _~~'0: -z.V\.IJ'~

..

'1tJ.

e.±~t ~

,

. (

~

,

~

~

t

'

-- ---Totaal : M in kg/s

Q

in kW

C2

,

.Q::

~

1

.

%

~I

bv

\

" -:;. 'je{ J(r» IJ

1/

18~

. /

Q

Q M

Q

M

Q

M

Q

M Q

1

1

13

-44

1<;

o,ou,S 0 () () IJ I'J

5'

C 0 () r? ~/I

c

•

(';

.f..

L.

i

a

n

(')

() 7L

"f17 ~77 ~.~ _ -1Ó3 /f/')

G

~

{-Cl 0 0

r

/

?

,"'u / . /

~J

n 1''ln 0 0 /')

-z

2C1 ,AO) 0 { / ( / 7 10 .1n3 -"7 '7(, , .-1i,'> ₀ 0 , ~ _J ( -, C

""

",'" D ₀ ()

D

U ~21 n

2

_I ob,;_, ~

_LJ:777

_S22~

₂

₂₉₉

M

Q

M

Q

M

Q

M Q

-1

1

-18

~9

2.0

C (-Cs C 0 0 003 O 0

o

3

1-

0 () c 2. [I [, Ó

o;,O'2

W

r -(~

-1

2-

_-1

_d:'

D o. -1'L

o

t-c!

C 0 (}_7~ '7

r;(/

_

-1r5

~

-:}.. _~ f) / /,C-~ c) 0 ,t....t".,{ , j J o o ~ I

~

u~C)

1

,

-0;;

o/}1.

o,Q

Ç

9

Stroom/Componenten staat

Apparaa bitroom M

+

Componenten

₂₁

Çj l

lA Co

~e

n

,00

8

~'IS1 C"'~f::-·C t 0 '

{

7

~~

_. J 2I'.,,_,!- p ,r-

Ó,'1L

\Mt?\

\z.

-z t

,

·r () 1 -7 t. )& ,rl? / . l< ··l e.V\ 7

~Ct

-Ti? .... ,_~\ ,\ r l'\ ,'a

Vl..Ql

' .

<Z.*

i

_.\M.PI--\ .,

'\

r

r \--rA I'À \ - IJ-:;,'Y

J I { .~-_. Totaal: <"\Ç20j Apparaa bnroorn M

+

Componenten

'LG

Cl

IA roSc cJ

.

.

.

-3

'1

<;\ f2"'-\ '[ct C \- .. _~ _ ("z6t l;;e'L

. __ ._ .lij & ê ~'\e -2:!.! I I ,(

1. M I? \-\-".r,... J ,_.

.

.

\.tL.LC...t~~! ~ a c ~ c~ _. _-- _--_. -Totaal: M in kg/s Q in kW Q 0

')

In

n I 0-'2.,

bO

Q

Q

M

Q

M

Q

M

Q

M

Q

22

r'23

'2'--f

_2>

0 _{0 0}

₍

₇

()

0

₀ 0 {},1.(-, (') ~ (

...

('J,10

0

0 /'")1 hl ~ (7 (, .. ,/1, ₀ I t'o " ) r .... 0 J

)ç

_{n 0'2}

_n

_7-..

_bo

I r') 7 7 (? 77 () (J

"

{ --\ '3(5 /Vl~

_o

_CJ2.

₂

60

M

Q

M

Q

M

Q

M Q

<:7

/ {

28

2.9

7 :,, , ,. > I'i, \ 0 o (JoJ -C,-:.,2 2L-j () o c>'2G. /~~ ~ 0 0 0 ,1 0,1 0 / / f . f ) 0 r ,-' 1 t'') 1?-1 D / ~11,'L 0/

-1-1

0

/

03'2.

Stroom/Componenten staat

IN

_waarts

_Warmtebalans

Retour

UIT

M

Q

M

M

I

M

Q

Q

Q

77

0

t

~

~\i -7t]oC,

.

KD

- - - -I 101.0

I

? 170

I

I

,

"-

~

(c,(ÓL/)2.

I

_CCA

('

_G'-lJ

,

5

L

I

I

I

~

3::;6

\11

k»

- - -

-I

~---t-

s~ooW\ ,.

~u

-, S~OOIN1

7,

S

ilt

-- ---

R0

I1 I

_I

Q,S? 10·<:;

-©-r-~

1iI

I

1

qc,o

_---r@-

_\/10

~rJ1

C;;/JrJJ

_{-- -} ---- ~ 1~~C; - -\ I /

\l! ' -+--11

-

',

W

Il'\ 1,C{1,-1rY " v

.;(

,,~b1

-- S

yb

1 V -?,8~4

_-

_-

_-

_-

_-Cjp

_-

---1:2

26

:-:-I

j

/

~

505:0

! .... 3

~

-

~

C;;7fl

:>\0011-1\ I,,~ f -c-\1<; '-"CA l C ,,- I _{r; ),}

I

.~ ~ :" Oc'.v "'-(l- j I 12,003

_{- -}

_-@---1

...

,

I

t

'

•

I

D

,'

Y

lrc

~~

r-R

r-@~

.

!

I

I I

K

I

I

-1~

I

I

'1

10,<)

~

~~-

Jr

t

_1j i®~ -

_0/31

.-f,fjJ9 _{-_._---}

~

_{_.}

T'l()

O/~~

100b

_stoo,,",-

_TH

~

-

1oC;;

I

---1;'2.

_?

Oi/.-t

$\00"'" - -- -- -- --- - -

-~!J3-

---@

.

--~l~i

- -_.-._-- ---- _. .. _ --- - ---- - -~-11

1.

60

?h-

___ L ___ _____ I

r--

-

-

-

-

r

---

-

-

----

-i ,

I

, !

r

--

-

---

-

-r

I

,

I

~Ç29 -.-

--

~

/~ r

-117

11\

rij-

2,00

---~

?;,

~3 _{- - -} -!

0-141-,

--

1

,

~3

/ I

~

I

I

I .

I

I • I I

I

, I

I

I

I

I

i

i

I

I I

I

I

I

l

.

I

I

I

<

r--I

~

1

10/3

G

J

~

Mass a in kg/ s

"VVarmte

in klV

I

~

I

i

/1\

~

./ ,

_,

~4

0;32..

I

13

I 1 .

-l;1

-Totaal

....

_-1~rY3

- - - ---

-Fabrieksvoorontwerp

No: .... .

-I

8.MASSA- EN WARMTEBALANS

9.0VERZICHT SPECIFIKATIE APPARATUUR

Apparaat No:

S-=!-

~9

1<\8

R 2..6

R2.9

Benaming, vcorr~

ÇbkktA-

aCcfl"l.uur

\JereJte..-hydro~

i

a,(i~

.

torJ<

.<

r~cc.kto

....

type

vat

'CCln~

r

''''9S

,(~Q.k~

Abs.of eff.1( druk in bar

,

I

,

S-

t

temp. in oe

_L,r:)

80

Eo

_\00

_\00

Inhoud in m3 2.50 10

\0

40

I

Diam. in m

fJ

~ ~~3t- L,

,

1 of h in m

r;>

_"3

₀₃

_""3

_,/~ Vulling: ;( schotels-aant. vaste pakking katalysator-type

-

,

,

_-

vorm

· ...

·

...

·

...

S?eciaal te ge-b::-uiken ::lat~ aantal serie,lpa!'allel ft

Apparaat No:

P2

Pb

P\2

c

'25

C~

Benaming,

pcwv.p

pOMP

po~

(..OMpr

c..DW)pr-type

te verpompen W\~ ( \). Vl'")

pr-c:d

' .

.t

kt

.

ptOdtJkt

9R.C

Mtl~t~

~hct.nOl

medium ~ S~ Capaciteit in

r,8

0.6

'1,6

~of kg/s"

0.0

lOO

('81(:0

Dichtheid in kg/m3 ~ \()f:;D "- t()Oû "'-" (C){)0 ~ICX)O Zuig-/persdruk in bar(abs.of eff.i() temp. in oe in / uit Vermogen in kW theor. / ~rakt. S~eciaal te ge bruiken mat aantal serie/parallel ."

Apparaat No:

_V\O

F \

l

F\g

;

i

.,dik

roter~d Y"ct:J?fencJ.

Benaming,

t;.Q'"

k

tr~~ trcty\rne1

type

ri/rer

~lter

Capaciteit

Abs.of eff. iE

druk in bar

I

O.S"

O,S

temp. in oe

80

80

bo

Inhoud in m3

-:r?fS5

_{C>W-:: \.8}

rt\

2-:L öp-=-~ ~ of afmetingen in m iE aantal serie/parallel 11

Ontworpen door :

TORENSPECIFIKATIEBLAD

---Apparaatnummer :

: .r:J.-g..

Fabrieksnummer :

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie ... : destillatie / Q.xErakei~ / absorptie l'

...

~ Type toren ... : ~1iIJi'a\aj / schotel / 9!,!'eeier /

...

_*

Type scnote 1 . . . : ~j8-1 aeefplaat -t valve /

. .

.

. .

.

.

.

.

.

. .

~

.

. .

.

.

*

Aantal schotels ... : theoretisch :

_11/5'

Aantal scho te ls ... : praktisch : ~3

316

Schotelafstanè / HETS :

...

m Materiaal. schotel

:

AISI

Diamete:- torero ...

_0.-3·

.

.. Hoogte tore:1

\.q. ..

Ó:

Materiaal toren

...

: ~)\Sl

316

Verwarming ... : ~/ open stoom / ~/

...

_*

BEDRIJFSKONDITIES :

Voeding Top Bodem Reflux/absorp- Extraktie tie middel middel/.,. Temperatuur ... oe \00

68

1&0

Druk ... ", ... bar J 1 I

Dichtheid.L ... kg/m J /VICOO /"\..1000 1"\,..\000

~assastroorn ... ;j _{kgf s}

_3.5"3

~,?E

_OIS

1 Samensceliing 1:1 mol: I. ,esp. ge .... :: fYie.\k "'l.lAU~

2.8

-

~~..,.. WoXIU" ~.4

-;;r

-MQ:-~

{

k

~ ~

t (.{Q..t

2'2..

22.8

6,'7-tr~.:th~nol

66.6

6q,S

-

26,1--rest

\ I I

-, ONTWERP :

Aantal klokjes / zeef gaten /

.

.

. . .

. .

..

**.

.

Type pakking ... : Aktief schoteloppervlak •...•... : m 2 Materiaal pakking

.

:

-Lengte overlooprand •...•...••.•.... : mm Afmetingen pakking : Diameter valpijp / gat /

...

: mm

Verdere gegevens op schets vermelóen

*

doorstrepen wat niet van toepassing lSo

~-'indien een toren schotels van verschillenà ontwerp bevat, dit vermelden!

Ontvorpen door :

TORENSPECIFIKATIEBLAD

---Apparaatnummer :

:.~e

Fabrieksnummer :

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie: ... : _{destillatie / e:tEf akne} / a-b-se1l'~~e /

...

_*

Type toren ... : _~ ! schotel / SfJ re e-%ie r /

...

_*

Type schotel ... : k.l: (illt~-e / .a-eoei Jllaa t / valve /

...

*

Aantal schotels ... : theore~isch : \~.')

Aantal schotels ... . : praktisch :

'S-Schotelafstand / HETS :

...

ï.l Materiaal schotel

:Al5t

3\6

Diamete:- toren ...

0.:3.

.

.. Hoogte tO re:. IO,~ Materiaal toren

...

:

A'S'

>16

Verwarming ... : geen i open stoom / reboiler / • • • • • • • • • • • • • • • 10

_*

BEDRIJFSKONDITIES :

I

Voeding . Top

I

Bodem Reflux/absorp- Extraktie tie middel middel/ ...

Temperatuur ... oe

68

6t. 102

\

•

,

Druk ... bar

Dichtheid ... .... kg/m J ~\OOV "-,~oo I ' - \..;>\')0."> !1assastroorr ... kgf s

-:,1B

'2. .~3

_{\ ,05'}

.

Samenstelling 1:1

mol 7. resp. ge....,.;:

water

9:1-

' ) .

(]

-

_l-,.

\oY)C,t~

\

lcJa

oaÀ

~2,8

-

'1-1,"3

rv)€,J:J. ... CV?

ot

6g;'i

100

119

.

ONTWERP :

Aantal klokjes 1 zeeigaten /

...

**

: Type pakking ... : Aktiei schoteloppervlak •... _{: m} 2 Materiaal pakking _:

-.

Lengte overlooprand ...•... : mm Afmetingen pakking :

Diameter valpijp _/ gat /

...

: mm

Verdere gegevens op schets vermelden

*

doorstrepen wat niet van toepassing lS.

Ontworpen door :

TORENSPECIFIKATIEBLAD

Apparaatnummer :.~I Fabrieksnummer :

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN :

Funküê ... ... " ... : descillaüe / eXEPskt:ie / .a.bsorpert /

..

.

.

.

...

~

Type coren ... ... .. : gepahE / schotel / s;Ka.Qw.r.../ ...

_*

Type schotel ... " .... . Id:ek;.e. I-zeef mattt I valve I .. ...

_*

Aantal schotels . ... . : theoretisch

'2..,'1-Aancal schocels ... : praktisch :

5'"

~16

Schocelafscand / HETS ... ï.1 Materiaal. schotel

:

AlS\

üiame te:- torer:. .... ....

. 0.-3

_'" Hoogte tore:1

?.f2-

:

Materiaai. toren .. ... .. :

AlSl

316

Verwarming ... : geeR- I open scoom / ~b~itet-/ .. ... ...

_*

BEDRIJFSKONDITIES :

Voeding Top

I

Bodem Reflux/ absorp- Extraktie tie middel middel/ ...

Temperatuur .... . °c

lSo

1'1,9

sOO

Druk ... .. ... .. bar

,

I I Dichtheid .... ... kg/m 3 -.. \\.)00 " \000 ,... \000

~2SS2scroorr. ... kg/s _{0 .15' 0.1 1}

o

#

O

t..

.

Samens te 1 i.ing 1:1 mol i. resp. gew.;:

r<")cl

Lt

"ZUu r

~/f

9

0 _.

.9

-rn

eJ:

.

~

(

t

CÄ.

~lC.C(..t'

6

:

1-9

·

•

-rt;.)t. 26~

-

100 , ONTWERP :

Aantal klokjes i zeef gaten / ... .... ...

**

: Type pakking ... :

Aktief schoteloppeIvlak ... .... ... : m 2 Materiaal pakking :

,

Lengte overlooprand ... : mm Afmetingen pakking :

Diamecer valpijp _/ gat / ... ... : mm

Verdere gegevens op schets vermelden

*

doorstrepen wac niet van toenaSS1:1g 15.

10.KOSTEN

10.1 Produktiekosten

De totale kosten voor een (chemisch) kunnen model worden weergegeven [Montfoort, 1991):

Hierin: KA algemene kosten fabrikagekosten in het volgende (10.1) KF Ka

=

Kp

=

KI

=

KL =

indirekte fabrikagekosten of plant overhead

kosten die afhankelijk zijn van het produktievolume kosten die van de investeringen afhangen

semi-varibale kosten, zoals loon

In de beginfase van een projekt worden vaak alle kosten, exklusief de volumegebonden kosten, betrokken op de investeringen en het produktieloon. In dat geval worden KA en Ka ondergebracht in de termen KI en KL met behulp van een verdeelsleutel. Het kostenmodel wordt dan:

(10.2)

Gezien de definitie kan Kp uit twee elementen worden opgebouwd, de hoeveelheid produkt P, en de kosten per hoeveelheid (per ton produkt) kp. Deze wordt met een konstante a vermenigvuldigd, zodat:

(10.3) kp is hier in de som van de

hulpstofstromen per ton produkt:

gewogen grondstof- en

(10.4) Veelal wordt Kp met een konstante a vermenigvuldigd.

De investeringskosten worden veelal voorgesteld als een fraktie f (Capital charge) van de investeringen:

KI'

=

f. I (10.5)

De kosten KL' zijn min of meer een vergaarbak en worden loonafhankelijke kosten genoem, omdat de loonkost hier een belangrijk deel van uitmaakt. Ze worden voorgesteld als een gebroken veelvoud d van de direkte produktieloonsom L, zodat: