Studie naar stearine/oleïne scheiding, stearinedestillatie en continu ethyleenbisstearamide productie: Deel 2

. G- GROEPVERS

AG

)

1984

·

DE EL

2

•

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELF

Vertrouwlijk.

laboratorium

Apparatenbouw Procesindustrie

Gecombineerde opdracht.

Studie naar stearine/oleïne scheiding,

stearine-destillatie en continue ethyleenbisstearamide

productie.

M.F.Bello

P.S.van Berkel

J.L.M.Brunet de Rochebrune

M.J.ten Doesschate

H.A.Geers

R.A.J .van Haarst

J.G.de Kempenaer

A.A.Kruijer

F.L.M.Schenkeveld

G.J.Th.Siemers

R.J.van der Velde

C.M.H.Weber

Delft, april 1984.

Inleiding.

De Gecombineerde Opdracht 1984 voor technologen en

werktuigbouwers. is uitgevoerd in samenwerking met

Unichema Chemie B.V. te Gouda.

Drie delen uit de procesvoering zijn bestudeerd:

- stearine/oleïne scheiding.

- stearine destillatie.

- EBS-productie.

Achtereenvolgens zullen in dit verslag behandeld worden:

Computer.

Om units door te kunnen rekenen is gebruik gemaakt van

het computerprogramma 'ProcessI.

Kristallisatie.

Stearine en oleïne zijn d.m.v. kristallisatie te scheiden.

Drie methoden zijn uitgewerkt. te weten: met behulp van

een geschraapte warmtewisselaar. verdampingskristallisatie

en diepkoelkristallisatie.

Superkritische gasextractie.

Scheiding van stearine en oleïne d.m.v. extractieve

destil-latie met een superkritisch gas en een hulpstof.

Destillatie.

Optimalisatie van de destillatie van ruwe stearine in

des-tillatiekolom nr. 7.

EBS-productie.

Om EBS continu te produceren is een fabriek ontworpen.

Onze dank gaat uit naar eenieder die ons bij het

uit-voeren van de G-opdracht 1984 terwille is geweest.

Groepsbegeleiding:

Ir.W.J.B.van den Bergh

Ir.L.D.M.van den Brekel

Dhr.A.de Bruin

Drs.F.A.Meijer

Prof.Ir.A.G.Montfoort

Bij deze wilden wij de volgende heren danken voor hun

bemoeienissen bij de totstandkoming van het ontwerp

voor de EBS-fabriek en bij de daarmee samenhangende

octrooiperikelen:

EBS-fabriek

De groepsbegeleiding.

Ir.P.J.M.Bellens

Ir.J .L.de Blieck

Prof.ir.E.J.de Jong

Prof.dr.ir.N.W.F.Kossen

Ir.W.Maassen van den Brink

Prof.J.M.M.Smith M.Sc.

Octrooiering

Drs.A.van Grafhorst

Mr.D.C.de Kempenaer

Mr.K.Limperg

Prof.ir.A.G.Montfoort

Mr.ir.A.Rijlaarsdam

Ing.bur. KTI

Ing.bur. KTI

Lab. API

Biotechnologie

Org.chemie

Fysische techno

Ned.Octr.Bur.

Adv.kant.de Kempenaer cs

Adv.kant.de Brauw&Helbach

Chemische techno

Docent ocrooirecht

Delft, april 1984

M.F.Bello

J.G.de Kempenaer

G.J • Th. Siemers

,

,

I

2

Continue EBS-fabriek.

2=Q

Samenvatting.

Voor de productie van Ethyleenbisstearamide (EBS) uit

stearine en EDA is een continu fabriek ontworpen.

In eerste instantie een conventionele aanpak gevolgd.

Toen bleek dat tanks in serie als oplossing niet voldeed

is een speciale buisreactor ontworpen.

Deze Flexibele Zeef Plaat Buis (FZPB)-reactor heeft de

volgende eigenschappen:

- een nauwe verblijftijdsspreiding, vergelijkbaar met die

van 20 tankreactoren in serie. Hierdoor worden

ongewens-te volgreaties beperkt.

- gasvormige bijproducten eenvoudig af te voeren.

- flexibel te zijn t.o.v. productspecificatie en doorzet

veranderingen.

- de reactor is goedkoop.

De investering benodigt voor deze fabriek is bepaald

door de oplijning per apparaat door te rekenen en

be-draagt 2500 kF.

De rentabiliteit van de EBS-fabriek op zich is laag.

Doordat echter op de Ester IV productiecapaciteit

vrij-komt, die naar verwachting voor een groot deel benut zal

worden, levert dit, in combinatie met de EBS-fabriek,

gemiddeld 950 kF meer winst op dan de huidige situatie.

i

;

Inhoudsopgave G-Groepverslag Deel 2.

Verslag.

5-0

5-1

5-2

5-3

5-4

5-4-1

5-4-2

5-4-3

5-4-4

5-5

Appendices.

5-1

·

5-1-0

5-1 ":'1

5-1-2

5-1-3

5-1-4

5-11-1

5-11-2

5-111-1

5-111-2

5-IV

5-V

5-VI

5 - VI-1

5-VI-2

5-VI-3

5-VI-4

5-VI-5

Samenvatting.

Inleiding.

Beschrijving van het huidige procede.

Eisen voor het ontwerp.

Het ontwerp.

Reactorkeuze.

De Flexibele Zeef Plaat Buis Reactor.

De oplijning.

Economische evaluatie.

Conclusies.

Model voor de EBS-vorming en bepaling van de

reactiesnelheidsconstanten.

Inleiding.

Model EBS-vorming.

De reactiesnelheidsconstanten voor de vorming

van monoamide en EBS.

Reactiesnelheidsconstante bepaling voor de

imi-dazoline vorming.

Het warmteeffect van de reactie.

Het begrip fractie stroom E(t).

Berekening van de gemiddelde conversie.

Procesbeschrijving.

Start-up.

Mixing in en drukval over

zeefplaatcomparti-menten.

Werktuigbouwkundige aspecten van de FZPB-reactor.

Warmteoverdracht.

Inleiding.

H.T.-olie verwarmer.

Stearine verwarmer.

Prereactor.

FZPB-reactor.

5-VI-6

5-VI-7

5-VII

5-VIII

5-VIII..,1

5-VIII-2

5-VIII-3

5-VIII-4

5-IX

Condensor.

Productbuffervat.

Huidige procede voor de productie van EBS

bij Unichema.

Economische evaluatie EBS-fabriek.

Inleiding.

De investering voor de EBS-fabriek.

Kostprijsberekening

.

van EBS.

Productiescenario's.

2

Continue EBS-fabriek.

5-1

Inleiding.

EBS wordt bij Unichema batchgewijs geproduceerd inde

Ester IV-fabriek. De geproduceerde hoeveelheid was in

1983 circa 1200 ton. Unichema heeft het voornemen de

productie op te voeren tot 2000 tja. Het is ongewenst

deze extra hoeveelheid in de Ester IV

te produceren

omdat de esters die door EBS vervangen zouden worden

een hoogwaardiger product vormen. EBS is een relatief

eenvoudige 'ester' qua productiemethode. Daarom is

ge-kozen voor de EBS-productie een continu fabriek te

werpen. Dit deel van het verslag handelt over het

ont-werp voor de oplijning van deze fabriek.

5-2

Beschrijving van het huidige procede.

Ethyleenbisstearamide wordt gemaakt uit

ethyleendi-amine en een mengsel van stearine- en palmitinezuur.

In een autoclaaf wordt 11 ton 'stearine' opgewarmd

tot 180·C waarna 1 ton EDA gedoseerd wordt. Na

op-warming tot 200·C verloopt de omzetting via twee

tussenstappen in enige uren tot EBS. Het product

wordt via de bleektank naar de sproeitoren gepompt.

3loor

--

een detaUbeschrijving van het procede zie

appendix VII.

5-3

Eisen voor het ontwerp.

De continu oplijning moet aan de volgende eisen

vol-doen:

- Een doorzet hebben van 1.5 t/h omdat de laatste unit

door de sproeitoren gevormd wordt die een maximale

doorzet van 1.5 t/h heeft.

Productspecificatie:

zuurgetal

<

8

aminegetal

<

2

In de berekeningen is zg

(6

aangehouden hetgeen een

EBS concentratie van 97% betekent.

~~._\,

- Bij een volgreactie ontstaat uit EBS imidazoline. Deze

reactie moet zoveel mogelijk beperkt blijven. Er is

uit-gegaan van een concentra tie imidazoline

<

1

%.

Dit gegeven

stelt hoge eisen aan de verblijftijdsspreiding.

Uitgaande van een doorzet van

1~5

t/h en de maximale

jaar-productie van 2000 t zal de EBS-fabriek

56 dagen per jaar

draaien. Dit betekent dat, wil de continu oplijning

eco-nomisch aantrekkelijk zijn, de investeringen laag

gehou-den worgehou-den.

- Bij 1.5 t/h doorzet ontstaat 110 Nm

3

/h waterdamp die

afge-voerd moet worden, mede om het evenwicht van de reactie zo

ver mogelijk aan de EBS kant te leggen.

Tabel

5-~

-1 Ideale tankreactoren in serie, totale verblijf tijd en behaalde conversie.

I

aantal

verblij ftijd bruto con- conversie _{netto con} tanks

versie EBS _imidazoline

versie EB (h) _(%) (%) _(%) S

--

---

, .. 3

I

9 96.2 _0.8 I 95.5 I 3 ₁₂ 97.4 _1.0

,

96.4 I j i . I 4

_i

₆ 93.4 _{0.5 I} 92.9 i 4

I

₉ 97.4 _0.8

I

96.6 I 15 ₆ 91.6 - _1). -97.1 -J 1 20 6 _98.3 0.5 I 97.8 I I 1

1

! 1 Eis <1.0 i

>

_97.0 1 5-11-2

5.4 Het ontwerp

5-4-1

Reactorkeuze

De reactor moet dus aan de volgende eisen voldoen:

Doorzet 1.5 t/h

---~

grootte.

Productspecificatie

---~

temperatuur, druk, verblijf tijd.

Volgreactie beperken

---~verblijftijd,

verblijf

tijds-Waterdamp afvoer.

Lage investering.

spreiding.

Het gebruik van een conventionele buisreactor komt niet in

aanmerking omdat de afvoer van waterdamp in de buis een

pro-bleem vormt, bovendien veroorzaakt de waterdamp een grote

axiale menging.

De gemiddelde verblijf tijd in de reactor(en) mag niet

te lang worden noch de spreiding in de verblijf tijd te

groot. Deze eisen i.v.m. de vorming van imidazoline. Uit

investerings overwegingen is aangenomen dat 4 tankreactoren

in cascade maximaal is. In 4 tankreactoren in serie is, als

de verblijf tijd lang genoeg genomen wordt om de gewenste

EBS conversie te halen, de concentratie imidazoline in het

product hoger dan 1%. Wordt uitgegaan van de maximaal

aan-vaardbare concentratie imidazoline dan is de conversie

niet

~oog

genoeg. (zie tabel 5-4-1 en appendix 5-II)

On bij een lage gemiddelde verblijf tijd de gewenste

con-versie te halen, is berekend in hoeverre de verblijf

tijds-spreiding beperkt moet worden c.q. hoeveel tanks-in-serie

benodigd zijn.(zie tabel 5-4-1)

.Bij

15 ideaal geroerde

tanks in serie wordt aan de vereisten voldaan. Bij de

ver-dere berekeningen is van 20 tanks in serie uitgegaan.

• HOOFDAFMETINGEN FZPB- REACTOR _ I 3 FIGUUR 5-V-1

r-

A

BOVENAANZICHT REACTOR VE:RWARMING 4-x 5 M lengte

2

in rIJ -DOORSNEDE A-A

, ,

/

- - - --- ---

-5-4-2

De Flexibele Zeef Plaat Buis Reactor.

De voor continue EBS

'

productie

o~tworpen

reactor staat

weer-gegeven in de figuren 5-4-2/3/4. De FZPB-reactor is een

hori-zontale cylinder, lengte 6 m

diamete~

1.72 m, waarin om de

0.30 m verticaal een zeefplaat, Net Free Area 5%, is ge-

.

plaatst. De reactor is voor 80% gevuld met vloeistof,de

res-terende 20% dient als gasafvoer. De gemiddelde verblijf tijd

is 6 uur, de doorzet 1.5 t/h. Van de reactanten wordt meer

dan 97.8% omgezet tot EBS terwijl de concentratie imidazoline

tot 0.5% beperkt blijft.(zie appendix 5-1/11/111) De

wand-dikte is, met toeslagen 9 mmo Stainless Steel 316.(zie

ap-pendix 5-V)

De FZPB-reactor heeft enige belangrijke kenmerken:

Ieder compartiment, gevormd door twee zeefplaten, kan

beschreven worden als zijnde een ideale tank. De

daar-.

voor noodzakelijke goede

~enging

wordt veroorzaakt door

twee factoren, te wèten:

~- bij

de reactie vrijkomende waterdamp die als bellen

in het

compartim~nt

opstijgt.

- in de onderzijde van het compartiment geÏnjecteerde

stikstof, die tevens oxidatiereacties voorkomt.

(zie appendix 5-V)

Door de grote hoeveelheid compartimenten is er slechts

een kleine verblijftijdsspreiding: 20 tanks c.q.

com-partimenten

.

in serie.

Omdat de reactor niet volledig gevuld is, kan het

gas-vormig bijproduct

boven: h~t

vloéistofniveau afgevoerd

\

worden en kan zbnodigvacuUm gezogen worden.

Mocht om enigerlei reden bij een andere doorzet en/of

andere verblijf tijd gewerkt moeten worden dan zijn vele

.

combinaties van vloeistqfhoogten en doorstroomsnelheden

mogelijk zonder dat de FZPB-reactor slechter of anders

functioneert.

Is een grote productieverhoging gewenst dan kan, omdat

de FZPB-reactor werktuigbouwkundig bijzonder eenvoudig

is, de reactor op simpele wijze verlengd worden.

O

•

~

.-,--,

• •

'

_{;~J-

.

_-

(~

_{~ :}

.

@:@-

.

ih

EDA (~ I

@

I • • I

dg

L

§2

,

- - I [ .... -::J .. - I R: I

sle~rin (~

__

tRJj

cr::'

e ~-r::'-:J---<]1---, CONDENSOR .TR REAC HT-olie koel wdter -t~ HT-olil!

1

)(-{)-~I ?'

,,,,,.I

:

.

" i j

!

I

~

rif

~

.t,

{B)

1*---

1

'---

---.,.---t>

~-=-=t-

.

-

-_-r-=_ --- - - "

= -..

=..

REACT FI

§

I

~

I

~

________

---:--4

~~,....~ - .. - .. = .. w .. &'~'--..-..-: . . . . » = ... -

= - -- -

.

,

RECYC RECYCLE

~

_r--' I I I

@

N₂ I=-=-~ (start-up) F716 FILTER P7'S. SPROEI-PO P714 SPROEI -POMP P7tJ EBS-POMP SPROEI IP712 EDA-POMP P711 stearine-POr;

TOREN IV710 EJE.CTEUR T709 BUFFERTANI T709 CONDENSVAT E707 CONDENSOR'. R706 FZPB-REAC TOR R70S PREREAC TO M704: MIXER ' E70J . VERWARMER T702 TANK EDA . ". J70l " TANK stè~rine

PROCESREGELING~, •. , '-"",=:i::

"

.

:

RATIO F I FLOW P I DRUK " ;." ;",' AM>

""-1

1 _ W ow. _{T I TEMPERATUUR L} I LEVEl: • ...• ; •. C I CONTROLE I I INDICATIE .'

...

R I REGIS T RA TIE O".u.NdDar. 0 _ _ <] .... W =» __ .. ___ ~'"-_-=-_-.. ,,-=-.!" .. -=. ~ __ _ RECYCLE (st.ut-up) - ----I I

<l

__

.l> - ---- p .... - - -- -- - SLOPS 0 .

-1-

EBS-f~bric:k

Technische Hogeschool

Delft

.

WllfldulgbcM-.nde

lab. Apparalenbouw Proc. Ind.

'-1'_

.

5-4-3 De oplijning

In figuur 5-4-5 staat het flowsheet weergegeven. Het systeem

wordt alsvolgt doorlopen:

- Stearine wordt opgewarmd van 80· tot 180·C in

warmtewis-selaar E703. De EDA wordt gedoseerd v66r een statische

meng er , M704.

- De reactanten gaan naar de prereactor R705 waar ze tot

200·C opgewarmd worden. Vrijkomende waterdamp wordt,

eventueel onder verlaagde druk, afgevoerd naar de

conden-sor E707.

- Na de prereactor komen de reactanten in de FZPB-reactor

R?06 waar in 6

u~r

bij 200·C de omzetting naar EBS plaats

vind~.

Waterdamp wordt afgevoerd naar condensor E707.

- Het product wordt naar het buffervat T709 verpompt waar

het afgekoeld wordt tot 175·C en vervolgens naar de

sproei-wordt verpompt.

(zie appendix 5-111)

Warmteoverdracht.

In de warmte-behoefte van de EBS-fabriek wordt voorzien

d.m.v. een H.T.-olie systeem. Voor het gebruik van een

H.T.-olie systeem is

ge~ozen

om constructieve redenen.

I.p.v. vier behoeft nu slechts één warmtewisselaar voor

~

hoge

druk stoom te worden ontworpen, te weten die waar

de Dowtherm A met 70 bar stoom tot 250·C opgewarmd wordt.

_

~~

Dowtherm

A

is stabiel tot 350·C, niet corrosief en niet

~ ~

toxisch. (zie appendix 5-VI).

.

Tabel De maximaal benodiqde enerqicbehoefte per unit. Als soortelijke warmten zijn aangenomen

3.5 kJ/kq K voor de reactanten en E,B.S. en 2.2 kJ/kg K voor Dowtherm A.

_-

-_._----Te Verwarmen Waraatebehoefte V.O. Opmerking

2

Unit Stof Massa- _{Tin Tuit} kW m

stroom _{·c ·c}

k9/S ---_.

verwarr.;02:' stearine 0.42 80 180 147 10.0

prereactor reactant 0.46 180 200 32 10.3

FZPB-reactor reactant 0.46 200 200 29 3.1 Warmteverliezen en

evt. reactiewarmte

buffervat E.8.S. 175 175 10

I

4.0 Warmteverliezen

tracing 160 160 30 C-.ekozen waarde

+

I

248 +25\ reserve -310

WW H.T.-olie DowtherJII 2.80 200 250 310 10.7

-2 I

condensor vater 2.4xl0

_I

100 60 -60 0.6 met koeltorenwater

buffervat E.B.S.

I

200 175 -25 0.1 Dlet verdampend

BF-water

stearine EDA

CONDENSOR water EBS.

VERWARMEN 1--''----"'1 PREREAC TOR

L -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ~ \ FZPB-REACTOR

I

SUFFER ...

-2 3d' 2000 - -e-xpa sie tank ... but ter

I

/""

\ / / - ... r-I-H~T-_-O-l-ie--'--,I/ / '

-

r---olo

pre-reae tori '

srl

-

;

reactor

r-180' verwa rmin9 150'

sa"

t raeing 160· ...

PREREACTOR

1

waterdamp'

--

-

-

- -

_

..

- - - - --

_{- T - -"}

jÇ

.-,---

\

u-tubes

-HT-olie

----250' [ 118

o·

reac t ant

.

JL

t

N2

1700 BUFFERVA T koel water HT-olie

N

2

_

.-J

f'

1

200•

N

2

-. _ . _ ·.0

i066

"

I i

I

\ 950

1

I i I

l

I I

-

-/

...

5-4-4

De economische evaluatie.

De economische evaluatie is geheel uitgewerkt in appendix VIII

De totale investering (I

F

) voor de continue EBS-fabriek

bedraagt 2500 kF.

Aan de hand van een kostprijsberekening zijn Return

on Investment en Internal Rate of Return bepaald. Deze

getallen, die een maat voor de rentabiliteit zijn, komen

voor de EBS-fabriek laag uit. Dit wordt ondermeer

veroor-zaakt door een grote rationele overcapaciteit.

Om de rentabiliteit van deze fabriek te verhogen zouden

de tien maanden jaarlijkse stilstand opgevuld moeten

worden met andere producten.

Beschouwen we de Ester IV en de EBS-fabriek tezamen

dan krijgen we het volgende beeld. Als de EBS-productie

50% van de maximale geprognotiseerde groei d.w.z. 1710 ton/a

bereikt en de vrijkomende uren in de Ester IV voor 50%

opgevuld worden met

ester~

d.w.z. 6840 hr/a, dan is de

extra winst ten opzichte van de huidige situatie 674 kF.

Wordt het meest optimistische scenario gehanteerd dan is

de extra winst 1500 kF per jaar.

5-5

Conclusies.

- De continue productie kan door een te lange verblijf tijd

en een te grote verblijftijdsspreiding niet in vier,

of minder, geroerde tanks plaatsvinden. De

productspeci-ficatie wordt dan niet gehaald.

- De vereiste verblijf tijd en spreiding daarin worden wel

gehaald in de Flexibele Zeef Plaat Buis (FZPB)-reactor.

Deze kan modelmatig beschreven worden door 20 ideaal

gemengde tanks in serie.

- De investering benodigt voor de EBS-fabriek is bepaald

door de oplijning per apparaat door te rekenen en

be-draagt 2500 kF.

- De rentabiliteit van de EBS-fabriek op zich is laag.

Doordat echter op de Ester IV productiecapaciteit

vrij-komt, die naar verwachting voor een groot deel benut

zal worden, levert dit, in cpmbinatie met de EBS-fabriek

gemiddeld 950 kF meer winst op dan de huidige situatie.

Appendix 5-I

Model voor de EBS-vorming en bepaling van de reactiesnelheidsconstanten.

'0'

_{11 _}

H H

-

.--:-2 R-C - 0 -H

+

H

_{'·N-C -C -}

"

_NI'"

H

H"

•

f

"'H

stearine

H

H HH H

I I I \ , Er-

N

-C

- C - N

@ I \ I I I

HHH H H

aminezou

t

"0'

H H H H

" - I I \ I

R-C-N-C-C-Na3

I I I I

H H H H

rnon

o

cmide

~o'

H H H

11 _ 1 1 , I~

- C - N - C - C

-

N - C - R

, 1 , - 11

H

~

H

~O/

eLs

_

.... H

H H

eda

+

+ H

Ol

2

~N-"C"'H

R-C

I

, -

_H

+

R-C-Q- H

~-C"'H

H

imidaz oline

11

-,0,

)

~

2 )

( (

5-I Model voor de EBS-vorming en bepaling van de reactieconstanten

5-<'-'1":'0 'Inleiding

< . .

De reactievergelijking voor de EBS-vorming luidt:

'--.... ,k'.l-~ " -' ~2 A • B - ... C + BiO waarin A "aminezout" B lDonoamide ebisamide ( EBS D imidazoline V :vetzuur

De '?erste reactiestap, de vorming van het "aminezout" uit stearine en EDA vindt momentaan plaats en is daarom niet in de berekeningen meegenomen.

5-I-1 ModelEBS- vorming

Er wordt vanuit gegaan dat het vrijkomende water steeds volledig verwijderd wordt, zodat de concentrat±e hiervan verwaarloosd kan

. worden. Tevens wordt verondersteld dat de volgreactie tot

imidazo-line zeer langzaam is t.o.v. de vorming van EBS, zodat deze bij de beschrijving daarvan verwaarloosd kan worden •

De reactievergelijking wordt dan:

A

Nemen we een eerste orde reactiesnelheidsvergelijking aan, dan volgt voor B: B

₌

k 1/(k2- k1)x Ao

~XP(-klX

t)- exp(-k 2x

t~

en A r -e

₌

k 2/(k2- k1)x exp(-k1x t)+ OL

t~

+ k1/(k2-k1)x exp(-k₂x

Vexde.r nemen we aan dat k

1 bij benadering gelijk is aan k2• Dit

levert voor B :

B

=

k x t x A x exp(-k x t)

0

Om C te vinden moet in (2) het volgende ingevuld worden:

k

1

=

k en k2

=

k + àk

Dit geeft

C = Ao

~

- (k + Ak) lAk x exp (-k x t) +

+ klAk x exp-(k + Ak)x

~

5-1-1

(1)

(2)

·100 ~

t

l\Il I

!

_I

"""

_I

I

lDi

I~

I

/

.J

I

V

Figuur 5-I-1

De uit het opgestelde model berekende

concentratie van B en C opgeteld alsmede de experimenteel bepaalde som der con-centraties. Verder de uit het model berekende concentratie C.

s' , I

---~) T~~

(h)

1 h

Dit is gelijk aan:

C = AO

~

- (k + Ákl/Ok x exp (-k x tt + + k/4k

x

exp(~k

x

tlx exp(-Ak x t)J Als ~k zeer klein is geldt :

exp(-Ak x tl= 1 ~ Ak x t Ingevuld in (41- •

(4)

C =

Ao~

- exp(-k x tl- k x t x exp(-k x t>] (5)

5-1-2 De reactiesnelheidsconstante voor de vorming van monoamide en EBS.

In eerste instantie werd de reactiesnelheidsconstante k berekend uit het fabrieksgegeven dat in 6 uur ongeveer 9B% van de grond-stoffen in EBS is omgezet. Dit geeft m.b.v. (5) een waarde voor

-1

k van k = 1.1 h • Op ons verzoek is bij Unichema een experiment uitgevoerd om de praktijblaarde te controleren.

Daartoe werd 1100 gr (4.07 mol) stearine verwarmd tot lBO·C. In 11 minuten werd 115 gr (1.92 mol) EDA toegevoegd, waarna snel verwarmd

is tot 200' C

Tabel 5-1-1 Analyse resultaten van EPoS-experiment. Zuurgetal en aminegetal als functie van de reactietijd. ( ZG en AG)

: reactietijd Zuurgetal i Aminegetal ZG - AG

I uur mg/g

I

mg/g mg/g ~

___

_

._

.

_

_

l

_____

._ ..

_

.

_._

.

_

._.

.

..

.

I . _ ... _.' .. . . : 36 1 24 ..

,J

0.33 0.5 0.75 1 1.5 2 3 4 5 6 21

i

lÖ 16 15 13 12 11 I

i

, i I

I

I

10.8

j

10.8 10.5 __ . 5-1-2 7 4 3 2 1.4 1.2 1.1 0.8 12 11 9 11 10 10 9.6 9.6 9.8 9.7

I

In figuur 5-1-1 is de hoeveelheid geproduceerd B en C uitgezet zo-als dit gemeten is en berekend met een 1eorde reactievergelijking met een reactiesnelheidsconstante van k

=

1.1 h-1• Uit de figuur blijkt dat de omzetting tot B en C vanaf t

=

3.5 uur door het eerste orde model goed beschreven wordt. Omdat juist dit gebied voor ons van belang is, is dit model goed genoeg. Mogelijke oorzaken voor het afwijken van het model van de werkelijkheid voor t

<

3.5 h zijn: - Met name het eerste deel van een reactie kan vaak niet door een 1e

orde reactiemodel beschreven worden. - Door ons is aangenomen dat k

1= k2, experimenteel zijn k1 en k2 bij-zonder moeilijk afbij-zonderlijk te bepalen, met name als k

1>k2 wordt de werkelijkheid veel beter met het model beschreven. N.B. in ons geval is geen behoefte aan een in dat opzicht betere beschrijving. Verder moet opgemerkt worden dat Zuurgetal en Aminegetal niet een maat zijn voor de hoeveelheid gevormd EBS maar voor de hoeveelheid omgezet aminezout, A. Juist in het begin van de reactie zal er veel monoamide aanwezig zijn.

5-1-3 Reactiesnelheidsconstante bepaling voor de imidazoline vorming k3

C

---=_

....

D (imidazoline)

Nemen we voor imidazoline ook een 1eorde reactiemodel aan dan wordt de vorming van 0 beschreven met:

(6) met vergelijking (5) levert

_ 0

=

AoX

[[1

dit:

- exp(-k x t)- k x t x exp(-k x

r. .~

L

1 - exp (-k_{3x t ]} (7)

uit het litteratuurgegeven ) dat bij 250·C uit equimolaire hoeveelheden stearine en EDA in 72 uur 17% imidazoline ontstaat, is berekend, na aanpassen van de temperatuur met de formule van Arrhenius,

-4 -1 dat k)= 8.4xl0 h .

5-1-4 Het warmteeffect van de reactie.

Gebruik van.methodes uit de toegepaste thermodynamica voor de be-paling van het overall warmteeffect van de reactie, bindingstype-methode van Benson, groepsbijdragebindingstype-methode van Anderson, Beyer en Watson en de groepsbijdragemethode van Benson, leidt;·.tot de con-clusie dat een groot endotherm effeèt mag worden.

Op basis van de praktijkgegevens van Unichema is dit zeer

onwaar-schijnlijk. Het overall warmteeffect kan volgens Unichema nul

gesteld worden. Desondanks hebben wij de FZPB-reactor met een ver-warmingsspiraal uitgerust. Thermische verliezen naar de omgeving moeten aangevuld worden en een klein endotherm effect kan opgevangen

worden. Maximaal kan 30 kW.in de reactor geleverd worden.

Appendix 5-11

Het begrip fractiestroom E(t), berekening van de gemiddeld conversie.

cu"e l'oor , en .ler tank- _;~...,."";'-+~".j---,-;+,..;--+~~~+;+-_ reactoren ln .erl ••

5-11 Het begrip fractiestroom E(t) ,berekening van de gemiddelde conversie.

5-11-1 Het begrip fractiestroom E(t). De fractiestroom E(t) is gedefinieërd als:

waarin

E(t)= n/n t to dt

n : fractie met "leeftijd" t.

n t: het totaal van alle fracties.

to

dt : stapgrootte tussen de fractie met leeftijd

t en leeftijd t + dt

Een volume-elementje wordt z6 klein verondersteld dat binnen het element geen concentratie-gradiënten optreden, zodat het verloop van de concentratie in het element als functie van de tijd be-schreven kan worden als een zéér kleine batchreactor.

Definiëren we nu de verblijf tijd van een volume-element als de tijd tussen binnengaan en verlaten van de chemische reactor, dan wordt de curve die het verband aangeeft tussen E(t) en t de

ver-blijftijdsspreidingsc~rve genoemd (Residence Time Distribution).

Voor n ideale tankreactoren in serie geldt:

waarin E(t)= 1/(N x t.)x N x«N x tl/eN x t.»N-1 x N 1 1 (N - 1)! exp (-N x

t/

(N x

t.)

1

aantal tankreactoren in serie.

t lopende tijd.

t.: gemiddelde verblijf tijd per tank.

1

Voor vier identieke tankreactoren in serie met een totale gemiddelde verblijf tijd van 6 uur geldt dan bijvoorbeeld:

3

E(t)= 0.03292 x t x exp(-2/3 x t)

Verblijftijdsspreidingscurves zijn bepaald voor 3,4,5,10,15 en 20

ideale tanks in serie met steeds een totale' gemiddelde

verblijf-tijd van 6 uur. De resultaten staan in de figuren 5-11-1 en 2.

5-11-2 Berekening van de gemiddelde conversie

De berekening van de gemiddelde conversie na een aantal tankreac-toren in serie werd alsvolgt uitgevoerd:

De fractie van de volume-elementen, die een leeftijd tussen t en

t + dt hebben, dragen aan de conversie bij:

E(t)x CEBS(t)x dt ( 8)

De gemiddelde concentratie aan het einde van de reactor(en) t.g.v. de bijdragen van alle volume-elementen is dus gelijk aan:

DO •

C =

of

E (t) x CEBS (t) x dt =)Ë (t) x CEBS (t) x dt (9) EBS

oSË

(t) x dt

Als voorbeeld 4 ideale tankreactoren (zie ook app. 5-11-1): 3

E(t}= 0.03292 x t x exp(-2/3 x t) en voor C = C en C =A geldt (zie ook app. 5-1-1):

EBS A 0 o CEBS (t) ---- =1 - exp(-l.l x t) - 1.1 x t x exp(-l.l x t) CA o

De conversie behaaldt in 4 tanks is: C

=

EBS = JO.03292 CA 0 o x t 3x exp(-2/3 x t)x [1 - exp(-l.l x 1.1 x t x exp(-1.1 x t) ] dt (10) Voor de berekening van de behaalde conversie imidazoline is dezelfde rekenmethodiek gevolgd, in dat geval gebruik makend van 5-1-1 (7).

Op deze wijze zijn een aantal mogelijkheden door gerekend, de rE-sultaten zijn in de onderstaande tabel samengevat:

'~ Tabel 5-II-l Ideale tankreactoren in serie, totale verblijf tijd en behaalde conversie.

i _aantal

verblijf tijd

i

bruto con- conversie netto con- !

I

tanks versie EBS imidazoline i versie EBS

I

(h) (%) (%) i

_,

(%) .-.

_

.

__

...

--

---

.... ~ . 3 9 96.2 0.8 _I 95.5 I 3 12 97.4 1.0

,

_I

96.4 4 6 93.4 0.5 92.9 4 9 97.4 0.8 96.6 15 6 ~ 97.6 0.5 97.1 20 6 98.3 0.5 97.8 Eis <.1.0 >97.0 I 5-II-2

t)-Er is sprake van "bruto" en "netto" EBS conversie omdat bij de be-rekening van de EBS conversie de volgreactie tot imidazoline verwaar-loosd is. De netto EBS conversie is de berekende conversie minus,lde

imidazoline productie, kortom de werkelijk tot EBS omgezette grond-stoffen! De berekende omzetting in de fracties met een "leeftijd" kleiner dan 3.5 uur is lager dan in de realiteit (zie app.5-Il, het is dus ~elijk dat in de FZPB-reactor de conversie hoger dan hier berekend uitkomt.

Concwusies:

Pas bij 15 reactoren in serie is de verblijftijdspreiding zodanig klein geworden dat de omzetting voor meer dan 97% plaats vindt bij een verblijf tijd van gemiddeld 6 uur.

- Bij een verblijf tijd van 12 uur, benodigd bij 4 reactoren om de gewenste omzetting te halen, wordt teveel imidazoline gevormd. N.B. de imidazoline productie is alleen bij 3 reactoren voor een verblijf tijd van 12 uur berekend. Wordt de verblijftijdsspreiding kleiner, d.i. meer reactoren, dan neemt de imidazoline productie toe.

De keuze van 20 reactoren in serie bij een verblijf tijd van ge-middeld 6 uur geeft ruim de gewenste conversie en de ongewenste imidazoline blijft beperkt tot 0.5%.

Appendix 5-III

5-111 Procesbeschrijving en start-up.

5-111-1 Procesbeschrijving.

Zie tekening 5-111-1. Uit de voorraadvaten, resp. T701 en T702, worden stearine en EDA het proces ingepompt. De flow stearine wordt ingesteld en de EDA-flow wordt daaraan aangepast. In de warmte-wisselaar E703 wordt de stearine opgewarmd van 80· tot 180·C m.b.v. hete (250·C) H.T.-olie. De stearine en de EDA worden in de statische menger M704 gemixt en gaan de prereactor in.

Prereactor.

In de prereactor R705 worden de reactanten tot 200·C opgewarmd en komt al een deel van waterdamp vrij. De prereactor is een cylin-drisch vat van 1.70 m lengte en 0.95 m diameter met daarin een U-tube bundel warmtewisselaar. Op twee plaatsen wordt stikstof toegevoerd, 5x10-3m3/min. Het niveau in de prereactor wordt gehand-haaft met een overlooprand. De vrijkomende waterdamp wordt naar de condensor E707 afgevoerd. De reactanten stromen naar de FZPB-reactor. FZPB-reactor.

In de FZPB-reactor R706 verblijven de reactanten 6 uur bij 200·C waarna de omzetting tot EBS vrijwel volledig is. De reactor is een voor 80% met vloeistof gevulde cylinder, diameter 1.72 m, 6 m lengte, die horizontaal opgelegd is. Door het plaatsen van zeefplaten, NFA 5%, om de 0.30 m worden compartimenten gevormd. Deze zeefplaten met de lage NFA moeten helpen de verblijftijdsspreiding door menging tus-sen compart~enten te voorkomen. Het vrijkomend reactiewater moet afgevoerd worden en contact met zuurstof moet vermeden worden. Daar-om wordt aan de onderzijde van ieder cDaar-ompartiment stikstof ingeblazen. Zelf de gebruikte kleine flow N

2,

5xl0-3m3/~in,

zorgt al voor een goede menging in het compartiment, zie appendix 5-1V. De waterdamp wordt afgevoerd naar de condensor E707, indien noodzakelijk kan met stoomejecteur V710 onder verlaagde druk gewerkt worden. Het niveau in de reactor wordt geregeld met debiet van de afgelopen hoeveel-heid product.

Buffervat.

Het product naar het buffervat T709 verpompt, in dit vat kan tot circa 6 uur productie opgesl~gen worden. De EBS wordt gekoeld tot 175·C in het buffervat. Mocht de productie om enigerlei reden stag-neren da~ kan het vat met H.T.-olie op temperatuur gehouden worden. Uit het buffervat wordt de EBS naar de sproeitoren verpompt.

!

'-..._./

'

.

.

~...@

EDA _ 712

I

,-..,

-

~.., 'I~

:9'

_,

~

'.

r~J~~---, I I

,

, HT-olie

~

I~ ~

.

~

__ : .~" HT-olie - ._ ._ . _._ 0- ._.-.,.

lBo" :

I I '. I

)

I 1200· I I stoom

$

REACTOR ; I

'

--"

j

~

AWZ

~

- - I (' \ " ) I

.

C

f-R:)

Ä

.

<f7O}> \,/

.

~L..

•

1 " "

~

\

,

.

.

I \ J I " 1 . ~_~I _ _ _ J.-t*J---~-ۑr-'~"'S(j

-

-

-:..

-- -

"

- ----

-

Nb_-~-

__

....,.-=-=-_:::-::_::-::-:-::_,-::-~~

----

-.! stearine ~ ~

Á A W :

I REACTOR

.

~

J,

~

~r

~

~~

'. <l~---. CONDENSOR

i

_

_

_

__

_

__________________________

~~-~-~-~-~-~=-~-~-~-~-~~-~-~-~-~-~-=-=-~-~-~-~-~-~_~_~_~_~_~_~_~_~_~_~_~_~_~_=_~_~_~_~_~_~~

RECYCLE ~. . ~... . ..

'

. r-l

RECYCLE . (start-up)

~

-;;s·

'~---,

F716 FILTER P715. SPROEI-POMP P714 SPROEI-POMP P713 ESS-POMP .'

<§ @

P71S

~,

:

PI"

.

~

.

---- - - c o

~Ä

.

koel :

tCP-

>

~ter'

~. ...,..-~---HT- I ::>

/~olie

: N

.1

I

'- ____

l

2 :

I

,

I I I • I

.

I _.. 1 • 11~_=_=_=

__

~_~=_==~_~_~_~~_~~~

-SPROEt P712 EDA-POMP P711 stearine-POMP TOREN V710 EJECTEUR T709 BUFFERTANK

T70B cONDENSVAT E707 CONDENSOR' .

.. '-.. R706 FZPB-RE-ACTOR R70S PREREACTOR .

. : .. ;>:\::: 1'1704-.: MIXER E703 VERWARMER'

r---..---;,.--- T702' TANK EDA .. . ... nOl .:. TANK stèarine>:r··:'

AAIt- Sluk- F PROCESREGELING:,: ..• •• .. ' . " •.... ~;i. '.' FLOW " o'

..

, P DRUK :0 t-lal N. B-..,. T TEMPERATUUR L . LEVEt' .' ... ,'" -,, :.' :

ScI\aaI C _CONTROLE

r

.

INDICATIE .. , -.:;;: ,. a.1akend door R REGISTRATIE . .

GeconlrolMfd ... " .. HT-olie I

~-

*==--=--- ---

_\7

E8S -fabriek , . ," RECYCLE SLOPS

(start-up)

_{Technische Hogeschool}

Delft

.

A2

Werktuigbouwkunde

Lab. Apparatenbouw Proc.lnd.

5-III-2 Start-up

De bedoeling van deze start-up procedure is de fabriek draaiend te krijgen zonder verlies van reactanten of grote hoeveelheden

off-sp~c product te maken. Voor deze procedure is een "slop-tank"

benodigd, eeni·.tank met een inhoud van a à 10 m3 voorzien van een

verwarming (tot 200'c), roerwerk, stikstof toevoer en een sample-punt, b.v. de autoclaaf van de Ester IV.

Procedure.

- Vul de stearine en EDA voorraadvaten, T.701 resp. T702. Vul

daar-na de prereactor R705 en de FZPB-reactor R706 met stearine en warm ze tot de gewenste temperatuur op, laO'en 200·C.

- Begin stikstof door te blazen in de prereactor, FZPB-reactor, buffervat T709 en de slop-tank. Zuig eventueel boven de eerste twee de lucht af.

- Zijn de reactoren gevuld en op temperatuur dan kan de stearine flow gestart worden en gerecycled naar voor de warmtewisselaar E703. De EDA dosering begint.

- Zolang bij het samplepunt, te nemen na de pomp P713, zuivere

stearine aangetroffen wordt, naar schatting 4 uur lang, wordt

gerecycled.

- Zodra de eerste EBS in de stearine aangetroffen wordt moet de recycle gestopt worden en afgelopen worden naar de slop-tank. Verse stearine moet gedoseerd worden.

- Voldoet het product aan de specificaties, ongeveer 8 uur na het

starten van de stearine flow, dan wordt naar de buffertank T709 afgelopen en kan de sproeitoren gestart worden.

- De inhoud van de slop-tank wordt geanalyseerd en EDA gedoseerd tot de gewenste stoechiometrische verhouding. De reactanten worden opgewarmd tót 200'c en als de omzettig volledig is naar de buffertank over gepompt. N.B. het peil in de buffertank moet zo laag mogelijk geweest zijn.

Appendix 5-IV

Mixing in en drukval over zeefplaat-compartimenten

DOORSNEE REACTOR

300

•

•

l.l.O

I

_I

<

_:j---•

-

--

-o-...

~

..

"~

-. 0 •

.

0

-.

!

..

..

•

.

"

1720

.-

I ti i I • ti ti

[>!

• ti •

.

-r

• 0 0 e.- •

....

• tI ti

·

...

li

_I

ft

I

·

..

...

..

..

f

I

.~ .", \I'

'"

•

-

-.

vloe

i

stof

niveau

o. ,.

5-IV· Mixing in en drukval over zeefplaatcompartimenten. Dimensies van een compartiment

- Lengte: 0.30 m. - Diameter: 1.72 m.

3 - Inhoud: 0.703 m •

- Het compartiment is voor 80% gevuld d.w.z. de vloeistofhoogte is 1.72-0.44=1.28 m.

- Vloeistofinhoud van een compartiment: 0.562 m3 - N

2-toevoer per compartiment: 5x10-3

Nm3/min. - Druk: 0.25 bara.

-2

- Superficieële voeistofsnelheid: 1.67x10 m/min.

- Tijd benodigd om een compartiment te verversen ("1 pass"): -2

0.30/1.67x10 =18 min. Berekeningen

Voor de berekeningen zijn we, op aanraden van prof. J.Smith (Technische Natuurkunde), uitgegaan van de volgende formule:

v

_I 3

V x H5

g

-4

= 4x10 H: vloeistofhoogte VI: volume verplaatste

vloeistof

V : volume toegevoerd gas

g

Deze formule geeft een uitdrukking voor de hoeveelheid vloeistof die per tijdseenheid door het toegevoerde gas naar de oppervlakte getransporteerd wordt.

Per "pass" wordt door de N

2-toevoer 3 5 -4 V I= V x H x 4xl0 _{g -3 5} = 20xl0 x(1.28) x getransporteerd: V I=0.030 m 3 /min

ofwel per pass 18 x 0.030 = 0.540 m3.

Beschouwen we ook nog de waterdamp ontwikkeling in de comparti-menten, gemiddeld 0.120 Nm3/min, dan is de hoeveelheid verplaatste vloeistof

VI = 1. 570 m 3 /min

Extra menging zal optreden bij de stroming door de zeefplaten, de vloeistofsnelheid is daar 20 maal hoger dan de superficieële. Uitgaande van deze cijférs beschouwen wij de compartimenten als goed gemengd.

5-IV Drukval

Deze berekeningen zijn uitgevoerd ~mte controleren of drukval en gassnelheid niet onaanvaardbaar hoog worden in de FZPB-reactor.

De volgende formule is gebruikt om de drukval over de zeef-platen te berekenen: C . doorstroomcoëff. _D· =0.67 voor zeef-platen U IF: gassnelheid in de g perforaties ~g: soortelijke dicht-heid =0.5 kg/m3

Bij de berekeningen is ervan uit gegaan dat alle waterdamp vrij-komt in de FZPB-reactor en dat in ieder compartiment dezelfde hoeveelheid vrijkomt.

- van de zeefplaat bevindt zich 20% opp. boven de vloeistof, daarvan is 5% geperforeerd, ofwel

2.32xl0-2"m2 vrij oppervlak.

- Gassnelheid en drukval zijn van zeefplaat tot zeefplaat

door-,.' .gerekend.

- De gassnelheid over de laatste zeefplaat, d.w.z. die waar de totale gasstroom doorheen.moet, is:

U IF =2.25 mIs

9

- De drukval over de hele FZPB-reactor is: ~P =0.002 bar

Appendix 5-V

Werktuigbouwkundige aspecten van de FZPB-reactor.

·

HOOFDAFMETINGEN FZPB-REACTOR . DOORSNEDE A-A

,

\

/

5-V Werktuigbouwkundige aspecten van de FZPB-reactor

De werktuigbouwkundige uitvoering van de FZPB-reactor is een horizon-tale cylinder, rustend op twee zadels (zie figuur 5-V-l). Aan de hand van de "Regels voor toestellen onder druk" is de wanddikte van de reactor bepaald. Vervolgens zijn de optredende spanningen in reactor-wand, ringsteunen, zadels en de dekselfronten gecontroleerd. Tot slot enige practische opmerkingen t.a.v. de toegankelijkheid van de reactor. In deze appendix wordt dezelfde nummering gehanteerd zoals die in

"Regels voor toestellen onder druk" voorkomt.

00101 Minimum- en maximurnafmetingen; toeslagen.

(l)De FZPB-reactor wordt vervaardigd uit Stainless Steel 316.

De wanddikte moet een minimale waarde hebben:

dd~3 mm

(2)De werkelijke wanddikte zal groter moeten zijn dan de for-mule wanddikte d om de volgende drie redenen:

- de vervaardiging kan tot een vermindering in de wanddikte leiden.

- slijtage en intering over de levensduur. - maatafwijking van het materiaal.

- De vervaardigingstoeslag ~d

=

0 omdat de werkelijke

aan-f

wezige wanddikte na de vervaardiging wordt vastgesteld en in de berekening gebruikt.

- Interingstoeslag 6d

c 1/10 x 0.02 inch x 0.0254 x 25 jaar

= 1.3rnm

"perry" (hfdstk 23-21) Fattyacids.

- Er >is gekozen voor austenitisch gewalst staal:

t.d = 0.5 mm

t

De werkelijk toegepaste wanddikte bedraagt nu:

d

=

d + Ad + lid + 6d = d + 1.8 mm d f c t 00103 Gebruiksomstandigheden (2)Berekeningsdruk P d P

d is het drukverschil over de wand bepalenè voor de

sterkte-berekening van de wand. De reactor wordt bedreven onder licht vacuüm. Poe wanddikte is bepaald voor volledig vacuüm, 10% vei-ligheid is dus al meegenomen.

P

d

=

0.1 x Ipal = 0.1 x 1

=

0.1 MPa

P .

,~ri1

I

Iri2

.( I • I \ I '

..

-/

l

I

F

F

"

-,~~--~~--~~~' .

D-LYN

""1,

:

2

""l

M-LYN

FIGUUR 5-V-2

(3) Metaaltemperatuur

17 .

m

Als uitgegaan wordt van oneindige geleiding dan zal de wand-temperatuur gelijk aan die van het medium zijn, dit geeft dan eveneens een veiligheidsmarge.

1/.

= 200'c

m

DOI05 Materiaaleigenschappen

- De van belang zijnde materiaaleigenschappen van staal 316 zijn:

- Adp = 40%

- E(200·C) = 183xl03 N/mm2

- rl

= 17.5xl0-6 m/m·C

- Re(200·C)

=

147 N/mm2 , M0202 1:83-121 voor gewalst

aus-tenitisch plaatmateriaal. - smeltp.= 1371'c

D0301 Wanddikte berekening voor cylinders onder uitwendige druk.

(2)Wanddikte vergelijkingen.

De grootste wanddikte volgt uit de volgende vergelijkingen die gebaseerd zijn op elastische, plastische en elastischplastische stabiliteits criteria.

lecriterium.

Figuur 1 geldt voor materiaal met 'J = 0.28

l/D.= 1.8/1.72 = 1.05

~

1: afstand tussen twee steunringen.

D. : l. inwendige diameter. Pd/(z x E(200'C) = 0.1/(1 -3 levert dit d/D.= 3.3x10 3 -6 x 183x10 ) = 0.55xl0 M.b.v. figuur 1 2e cr~ter~um . . Voor Mp> 10%

-3

d = 3.3xl0 x 1720 = 5.7 mm d = D eX(U2+ a) u 2en a zijn hulpwaarden D : uitwendige middellijn (D.+ 2d) e ~ u2~ Pd/(z x 6.4 x f) f:ontwerpspanning uit (3)

Adp>10% dan f

=

0.63 x Re(200'C)

=

0.63 x 147

=

92.6 N/mm2

Hieruit volgt u -4

2= 0.1/(1 x 6.4 x 92.6) = 1.7x10

De bepaling van a geschiedt volgens een iteratief proces. Voor de overzichtelijkheid wordt hier alleen het resultaat vermeldt. Voor details zij verwezen naar (2) blad D0301.

Stel D = 1732 (d = e 3ecn.ter1um . . a

=

20.9x10-4 d = D x(1.7x10-4+ e . -4 = D x 22.6x10 e 6 unn) -4 20.9x10 ) -4 d = 22.6xl0 x 1732 = 3.9 IDID

Middels (6) wordt gekozen voor een relatieve onrondheid van u = 0.015

De wanddikte gebaseerd op het derde criterium wordt bepaald m.b.v. figuur 2 blad D0301.

Figuur 2 geeft dan

Pd/(z x f)= 0.1/(1 l/D.= 1.05 1 -3 d/D.= 3.8xl0 1 d

=

6.5 mm -3 x92.6)= 1. 08xl0

Het laatste criterium blijkt maatgevend te zijn. De totale wanddikte inclusief toeslagen afgerond op een gehele maat wordt nu:

dd= 6.5 + 1.8 = 9 unn

D1105 Horizontale, op twee zadels rustende cylinder.

(2)De spanningen worden-gecontroleerd voor de gebruikstoestand A:

- berekeningsdruk P

d volgens DOI03

- metaaltemperatuur'~m volgens 00103

- belasting door eigen gewichtskracht en gewichtskracht van de grootst mogelijke vulling met bedrijfsmedium.

Gebruikstoestand B en beproevingstoestanden A en B worden ge-acht lagere spanningen te creëren, de temperatuur is veel lager.

(3)Spanningen in de cylinderwand

(3.1)Globale membraanspanningen'in de wand

Globale membraanspanningen treden op door inwendige druk en door buiging van de cylinder als balk.

De maximale membraanspanning treedt op aan het uiteinde van de verticaallijn door doorsnede 1 of 2 (zie figuur 5-V-2). De vervangende waarin U = Pd x r tgiP cr axip= Pd x r

spanningCï is de grootste van:

v

I

Cl _ax;l - cr _tg;p"

I

I

Cï ax; 2 -

cr

tg; P

I

v

-

<ï ax;3 tg;p v - e i ax;4 tg;p waarin Cl

=c:r

+u

axil aXiP axiMil

Cï_ax i 2 = CJ_ax i P - CJ ax i M ; 1:

CJ. _axi3-- G: _aXip +cJ _{aXiMi 2}

v :: = U - Û

aXi4 aXiP axiMi2

/ d = -0.1 x 860

/

6.5 =-13.3 N/nnn

/ 2d = -13.2 / 2 = -6.7 N/mm 2

2

CJ _aXi M _i 1 = k x MB _i 1/ (1rx r x d)

waarin k = 1 voor toestand A

2

'\;1~

F

f

O. 75 x

l~+

1.5 x <2_ 1.5 x h2_

l;J

t

3 x 1

1+ 4 x h

waarin F reactiekracht van het zadel.

ll,12,r,h zie figuur 5-v-2

Totale gewichtsbelasting op de FZPB-reactor:

2 - inhoud = 1f /4 x D. x 1 xp. ~ 2 =lfj4 x 1.72 x 6 x 1000 2 2 -- cylinder = 11/4 x(D -- D.)x 1 x p u 2~ 2" = 1\/4 x(1. 738 - 1.72 )x 6 x 8000 2 - zeefplaten= ïï/4 x D.x t x n x p ~ 2 = "1i"/4 x 1. 72 x O. 005 x 2.K x 8000 = = 14,000 2,346 1,952 +

-18,298 Nog een extra toeslag voor isolatie, fronten e.d. geeft een

4 .

totaal kracht van 22x1 ON.

Beschouw deze belasting als gelijkmatig verdeeld, dan wordt de reactiekracht per zadel

. 4

F ;= llxl0 N

M = 11x104x [.75 x 60002+ L5.x 8602_ 1.5 x 4002 B; 1 3 x 6000 + 4 x 400 5 ;:: .... 491xl0 Nmrn 5 2 2 ei 1= 1 x -491x10 /(1rx 860 x 6.5)= -3.3 N/mm ax;M; 2 CJ ax;M;2= k1x MB;lnrx r x d) waarin (7) k 1= ~1 M

=

F x

r12-B;2

L

2 2 3 , 1 2,(11- 12)+ 1.5 , r - 1.5 , h ] = IIxI04,

L

OOO -= 183x105 Nmm 3 x 1 1+ 4 x h 3000 x 5000 + 1.5 x 8602-1.5 x 4002

J

3 x 60no + 4 x 400 Hieruit volgt

<ïax;M;2=~

__ 1_X_1_8_3X_10_ 5 _ = + 1.3 N/mm2 2 x 860 x 6.5 -6.7 (-3.3)= -10.0 N/mm 2

v

= + ax; 1 ₂ (Jax; 2= -6.7

-

(-3.3)= -3.4 N/mm 2 cJ_{ax ; 3=} -6.7 + (-1. 3) = -8.0 N/mm 2 U_ax;4= -6.7

-

(-1. 3) = -5.4 N/mm

c:

= \-3.4 -(-13.3)1= 9.9 N/mm2 v max (3.3lSchuifspanningen in de cylinder

De maximale schuifspanning treedt op boven het vlak van het zadel. waarin k 2 = 0.32 (uit (7» ll,l2,r,h,d zie figuu~ 5-V-2

T

2

= 0.32 xL llx10

4 lx

r~8000

- 6000 ,= 4.7 lê60 x 6.;J 118000 - 1600

(3.71Spanningen in het zadel; vlaktedruk tussen cylinder en

vlaktedruk :

J>z= F

2 x b x r x sin(O.5xu) waarin b,ri1,1 zie figuur 5-V-2

pz= llx104 2x 400 x 860;;x 0.87 5-V-5 2

= 2.2

N/mm 2 N/mm zadel.

D0301 steun Normaalspanning: waarin U2= k 8x F A 2 k 8= 0.204 (uit (7» A

2

=

0.33 x r x b specifieke doorsnede opp. van het zadel.

Cï

= 0.204 x 11x10

4

= 0.3 N/mm

2

2 ---0.33 x 860 x 400

(5)Sterktecontrole

spanning actuele waarde eis actuele waarde

l~/mm 2 N/mm 2 aanvaardbaar ? G 9.9 z x f = 92.6 ja v

T

₂ 4.7 0.8 x z x f = 74.1 ja v2 0.3 0.5 x z x f = 46.3 ja J>z 2.2 staal = 7.5 ja beton = 5.5 ja

Cylinders onder inwendige druk

Gekozen is voor drie ringsteunen, twee L-profielen ter hoogte van de zadels en één L-profiel in het midden van de reactor.

4 I

3 4 I 3 2 drom

bron Iem x Iem

_J.

_cm A cm

x

_d

em y _d s s

x y wanddikte

L150x18 Euronorm 1050 98.7 1050 98.7 51 18

56-65

(4. 2) Stijfheid van ringen en aansluitingen. Voor alle gevallen moet voldaan zijn aan:

2 I "Pdx D x D x 1

waarin

sx-?, e s g

E(200·C)x 8

I kwadratisch moment van een steun. sx

D middelijn van de zwaartepuntscirkel van een s

steun.

D ,1 zie figuur 5-V-2

e g

Ter bepaling van D geldt het volgende: voor een aangelaste ring

s .

mag aan beide zijden van de ring de volgende werkzame breedte tot de steunring worden gerekend:

. ~ b

= 0.55 x(D x d)

s e (1 + 4.62 x d/O + 16 x(d/O

)2)~

e e 5-V-6

b = 0.55 x(1738

x

·

i)~

= 68 mm s 2 ~ (1 + 4.62 x 9/1738 + 16 x(9/1738) ) D rvD + 2 x(zwaartepuntsafstandl s e IV 1738 + 2 x 68 = 1874 DUn Hieruit vO.lgt: I _sx~

'0~1

'x 1738 x 1874_. 2x 1800 - 75 cm 4 183xl03x 8 0.1[1738 x (1738

~

[ 2 x 51x10

7)~

+ 0.015 x 17382x31800l< f 4 x 98.7x10

J

2 f

=

92.6 N/mm dus 22.6", f voldoet.

Eveneens moet voldaan worden aan:

waarin

~

h "' _s c x(o x _{s e} d ) _s

c = 1 voor een aangelaste steunring zonder flens.

s

h : hoogte van de ring.= 150 mm (L150x18)

s

d : lijfdikte van de ring.

s

h

~

1 x(1738 x

18)~

= 177 mm, hetgeen voldoet.

s

01105 Controle van de spanningen in de ringsteunen

Voor uitwendige ringen in het zadelvlak iscr de groptste van

s de waarden.

I

(Js;m+

~;Bll

!CJs;m

-u

s;B21 waarin cJs;m

=

_-k7X F A s Cl_{s;Bl= k6}x F x r x 13 I sx <l S;B2= k6X F x r x ~4 I sx waarin k 6

=

-0.058 uit (7) k 7

=

0.34 uit (7) 5-V-7

. Dit geeft 1 3= 14= 106 mm: uiterste vezelafstanden . 4 2 <J = -0.34 x llxl0 = -7.4 N/mm sm 51xl02 G" _s;Bl-- _·SiB2- _-..:,0..:,. 0..:,5:...:8:...;.x:...;.1:.:1:;.:x:.::l..:,O_4

x~8:...:6:...:0:...;.x.::...::l:.:0;..:..6

= 1050xl04 2

<is

max= -7.4 - 55.4 = 62.8 N/mm 2 -55.4 N/mm 2

De sterkte contole uit (4) levert

u

~f = 92.6 N/mm voor aus-s

tenitisch gewalst staal. Hieraan wordt dus voldaan.

D0303 Fronten met druk op de bolle zijde.

Gemakshalve worden de fronten vervaardigd van Stainless Steel 316 met een wanddikte van 9 mmo De beoordelings voorwaarde voor de welvingszone van een dekselfront luidt:

( 25) 3 P-d' 3.2 x z x E(200·C)x(d/(2 x r_e2» 00203 9 x(d/(2 x r e2»+ 0.003 waarin r

e2: uitwendige welvingsstraal, uit 00203.

waarin r e2= ri2+ d

=

=

1/14 x kl) xlDe- 2 x

d)X~

+

k~+

(I - kl)xll + k ; ) j k 1 = 2 x (h - d) D - 2 x d e r. 2,d,h,0 zie figuur 5-V-2 1. e k 1= 2 x(400 - 9) = 0.46 1738 - 2.9 --r e2= 1/14 x 0.46)xI1738 -

2.9)X~

+0.46 2 +(1 -::; 1683 mm 0.46)x(1 + + 9 hieruit volgt 3 3 Pd~3.2 x 1 x 183xl0 x(9/(2 x 1683» = 0.42 MPa 9 x(9/(2 x 1683»+ 0.003

De reactor wordt bedreven onder een druk van maximaal 0.1 MPa.

vervolgens eist blad D0203 een controle volgens blad 00203 resp. blad D0205, voor een druk van 1.5 x P

d op de holle zijde.

On2esteunde fronten met omhaling met druk

_OE

de holle zijde. (l)Voor gewelfde fronten moet gelden:

d ~0.61l2 = 0.6 x(1683 - 9) = 1005 5-V-8

(2.1)De wanddikte exclusief de toeslagen volgends 00101 bedraagt voor de "omhalingssectie": waarin d ;:: . .P-dxOex,Çlx<;2 2 x z x f e c

1'c2: vorm~ en spanningsconcentratie factoren 'Volgens figuur 3B,3C en 4 blad 00203.

(r il

=

258 mm : inwendige omhalingsstraal). c

=

3, c = 1 1 2 , 2 fe= c 3x f

=

160.4 N/rnm d

=

0.15x '1738 x 3x 1 2 x 1 x 160.4 c 3= (cl)

~=

(3)

~

= 2.5 mm

(2.3)Oe wanddikte exclusief toeslagen volgens 00101 voor het gewelfde middengedeelte bedraagt:

waarin d = 2 x Pdx r_i2 4 x z X f 2'ii. Pd f

=

f 2 2

=

92.6 N/mm d

=

2 x 0.15 x 1683 4 x 1 x 92.6 - 0.15 = 1.4 mm

Oe toegepaste wanddikte van 9 mm blijkt volgens de controle middels blad 00203 (2.1) en {2.31

00205 Oekselfronten met druk op de holle zijde.

(3.1)Oe wanddikte exclusief toeslagen volgens 00101 voor de rand-zóne bedraagt: waarin d

=

1.2 x Pdx r_i2 z x f l f 1= 0.9 x Re{200·C) = 0.9 x 147 hieruit volgt d

=

2 x 0.15 x 1674 = 1.4 mm 4 x 92.6 - 0.15 = 132 N/nlI/

Conclusie: de toegepaste wanddikte van 9 mm blijkt volgens de controle middels blad 00203 (3.1) en (3.2).

Uitzetting in lengterichting van de FZPB-reactor

t.l

=

1 x

~T

x

ti

=

6 x 180 x 17.5xl0-3

=

19 mm

De reactor wordt dientengevolge aan één zijde rollend opgelegd. Aan-sluitende leidingen moeten deze verplaatsing kunnen opnemen.

Constructieve aspecten

_ De zeefplaten worden gedeeld uitgevoerd. Bij een plaatdikte van 5 mm weegt één helft 40 kg en is redelijkerwijs door 2 man in de reactor te monteren.

_ De dekselfronten zijn eenvoudig te demonteren m.b.v. een kraan

mecha-nisme, dat aan de reactor is gelast.

_ Aan de onderzijde van de zeefplaten is een uitsparing aangebracht voor N

2- en H.T.-olie leiding. Dit geeft tevens de mogelijkheid

de reactor volledig te laten leeg lopen.

Appendix 5-VI Warmteoverdracht.

5-VI Warmteoverdracht 5-VI-l Inleiding

In de warmte-behoefte van de E,B.S.-fabriek wordt voorzien d.m.v. een "H.T.-olie" systeem. Voor het gebruik van een H.T.,olie sys-teem is gekozen om constructieve redenen. I.p.v. vier behoeft slechts één warmtewisselaar voor hoge druk ontworpen te worden, te weten die waar de Dowtherm A met 70 bar stoom tot 250·C opge-warmd wordt. Dowtherm A is stabiel tot 350·C, niet corrosief en niet toxisch (zie verder tabel "properties").

Tabel Properties PnoPERTIES eomposltlon Temperature range, oe Holecular welght Bolllng point,Oe Flre polnt, oe Autoignltion point, oe Dyn. Vlscoslty ln CPs ln -20o

e

in cPa in +300o

e

Denslty (at +250C), g/cm3 (at 300°C), g/cm3

Vapor pressure, in 300o

e,

bar

Specific heat +20oC, KJ/KG Oe

+300oe

Thermal conduct. +20oe, W/moè •

+300oe, w/moC

Thermal exp., 150°C , , vol.

lOOoe, 'vol. Pumpablllty , oe Toxlclty eorroslvity Envlronmental Degradation in 315°C, w'/week' System type Process appllcatlons Remarks Bron:·Presentation of Dowtherm

Heat Transfer Fluids:

.

Dow Chemical Company

5-VI-l DOWTHEIUi A DLphenyl-Dlphenyloxlde D: +15 to +400 166 257 135 621 0.21 1.05 0.81 ( -~ 1.35 (9.7 ln 400oC) 1.58 2.37 0.138 0.109 105 135 12 very low non corroslve biodegradable 0.0032 llquld + vapor heating + coollng The most stable or-ganlc heat transfer fluid avallable.

r---'

I 23d' 200· expa sie tank buffer

...

lBrf I I I L

---r---

o • o Ó buffer 200· reactor stear i nc-verwa rming

sa"

I

Het systeem is gesplitst in twee cicuits, het circuit van 2S0'c en dat van 200·C. Het hoge-temperatuur circuit voorziet in de volgende warmtebehoeften:

- Het op 200·C. houden van de H.T.-olie buffer.

_ Het verwarmen van 180 naar 200'C van de reactanten in de pre-reactor.

- Het op temperatuur houden van de FZPB~reactor (200·C).

_ Het verwarmen van de stearine van 80 naar 180·C. Dit wordt be-werkstelligd met de H.T.-olie stroom komend uit de FZPB-reactor

zonodig aangevuld met Dowtherm van 2S0·C.

Het lage-temperatuur circuit wordt gebruikt voor:

_ Tracing van de leidingen (160·C). Leidingen zijn getraced vanaf verwarmer E703 tot aan de sproeitoren.

- Het op temperatuur houden van het product-buffervat (17S'C)

Tabel De maximaal benodigde energiebehoefte per unit. Als soortelijke warmten zij n aangenomen 3.5 kJ/kg K voor de reactanten en E.8.S. en 2.2 kJ/k<J K voor Dowthcrm h.

-

-

-

_

.

_._--

..

_----

_-

.. _--

---Te Verwartllcn Wartlltebehoefte V.O. Opmerking

Unit Stof Hassa- _{Tin Tuit} kW m 2

stroom

_ _ _ .. __ .. ~'!.!_s ·c ·c

_-

-I

verwarmer stearine 0.42 BO lBO 147 10.0

prereactor reactant 0.46 lBO 200 32 10.3

FZPS-reactor reactant 0.46 200 200 29

I

3.1 Warmteverliezen en

I

buffervat

I

I

evt. reactiewarmte

E.B.S. 175 175 10 I 4.0

I

Warmteverliezen

tracing 160 160 30 ! ; C".ekozen waarde

-

- - - + ! 24B _i +25\ reserve -310 WW H.T.-ólie Dowtherm 2.80 200 250 310

!

10.7 -2 I

I

condensor water 2.4x10 100 60 -60 0.6 me t koeltorenwater

buffervat E.S.S. 200 _i 175 -25 0.1 met verdampend

·1

SF-water

5-VI-2 H.T.-olie verwarmer

200· H.T. ,,:'Olie

280· condensaat

280·

In deze warmtewisselaar wordt H.T.-olie verwarmd met 70 bar stoom. Het maximaal over te dragen vermogen is 310 kW, als overall warmte-overdrachtscoëfficient in genomen k= 570 w/m2K 80 - 30 = 51· ln(80/30) Dowtherm A Massastroom: 2.80 kg/s T. =200·C T. =250·C ~n u~t Stoom C = 2.2 kJ/kg K P -4 2

'L

= 3xl0 Nsec/m

J

= 1000 kg/m 3 Massastroom: 0.21 kg/s T =T . =280·C ~n u~t AH = 1503 kJ/kg v Warmtewisselaar 3 2 v.o.= Q

=

310xl0

=

10.7 m " " : -k x l:.T In 570 x 51 Mogelijke configuratie

110 \ in. U-tubes BWG 10 met 6 tube passages ~ 4

Re l' _{o ~e}

=f

x v x d_~ .

=

5.2xl0 '1,

v _o l' _~e

=

1.3 mis