Document 1949547

-1-
s.c.hruna voor de fabricage van n.buty:lacetaat .
Inlei.din~:
De bereiding van een ester kan in het algemeen op verschillende manieren uitgevoerd worden. Voorbeelden van bereidingsmethoden zijn o.a.~:
1)
2)
Uit een alcohol en een zuur.
---'
Uit een alcohol en een zuur anhydride
Uit een alcohol en een zuurchloride
Uit een alcohol en een ester
Uit een halogeenalkaan en en een metaalzout van een
organisch zuur.
Door additie van een organi sch zuur aan een alkeen.
3)
4)
5)
6)
Bovenstaande bereidingsmethoden zouden bpj de bereiding van
butylacetaat toegepast kunnen worden.ln .. de practijk wordt
butylacetaat evenwel steeds bereid uit n.butanol en azijnzuur.
De bereiding van butylacetaat uit butanol en azijnzuur wordt
meestal discontinue uitgevoerd.(~it.l,2.)
Bij dit discontinue proces wordt een mengsel van butanol en
azijnzuur in een ketel verwarmd.Als katalysator wordt ca.O,l %
H2S0 4 toegevoegd.De ketel staat in verbinding met een destillatiekolom.Daar zowel butanol als butylacetaat met water
een azeotroop vormen,die ca. 70% (molair) water bevat,kan
~het tijdens de reactie gevormde wat~fgedestilleerd.Bij
~
c:ondensatie van dit destillaat treedt ontmenging in de vloele:toftoestand op.De organische laag kan afgescheiden worden.
\'jfanneer dit destillaat nog te veel butanol bevat kan het in de
reactieketel of in de destillatiekolom teruggevoerd worden.
Wanneer de reactie geheel afgelopen is,hetgeen zichtbaar
1JlOrdt doordat er geen water meer over de top van de destilla1;iekolom komt,kan het reactiemengsel zelf gedestilleerd wor-.
CLen.Butanol en butylacetaat vormen zelf ook een azeotroop.
.
....
-'"
-2-
De reactie wordt mè~stal uitgevoerd in overmaat butanol.
Daardoor bevat het destillaat,dat het eerst over de top van
de destillatiekolom komt de overeenkomstige hoeveelheid
butanol (7Q%).De làatste fracties bestaan uit practisch
zuiver butylacetaat.
Bï,j een dergelijke disco~tinue installatie kan het meedestilleren van azijnzuur ~. ijdens de reactie voorkomen worden
door de reactor en de kolom niet te droog te laten worden,
en door een goede tefugvloeiing toe te passen.
~-
---
De contacttijden van een dergelijke discontinue installatie
zijn lang,bv. enkele dagen.Het aantal platen in de destilla.
.
tiekolom werd steeds proefondervindelijk bepaald.Het aantal
p~n is ongeveer 30.
De bereiding van butylacetaat kan ook continue uitgevoerd
worden,hoewel dit niet vaak toegepast wordt.Een voorbeeld
van een continue verestèringsproces is de bereiding van
aethylacetaat.D~ar de kinetiek van de veresteringsreactie
. nog niet volledig bekend was,werden de installaties niet
volledig berekend,maar de afmetingen vlefden ook proefondervindsdijk vastgesteld.
Om een dergelijk~ continue veresteringsinstallatie geheel
te berekenen moeten, de volgende gegevens beschikbaar zijn:
1)
De afhankelijkheid van· de dichtheden van de verschillende componenten van de temperatuur.
2) De gegevens omtrent de kinetiek van de vereeteringsreactie,dus de orde en het mechanisme van de reactie.
3) Dé afhankelijkheid van de reactieconstante van factoren
als temperatuur, concentratie van de katalysator, en de
verhouding van de hoeveelheden van de reactiecomponenten.
4) De evenwichtsconstante van dit systeem.
5) Dedamp-vloeistofevenwichten voor dit systeem.
Deze gegeyens zijn gedeeltelijk wel beschikbaar.
-3-
De bereidingsmethoden genoemd onder de punten 2 tot en met
6komen,aanneer geen bijzmndere omstandigheden aanwezig zijn,
niet voor de bereiding van butylacetaat in aanmerking,daar
zij niet economisch zijn.
Omdat v~rder een continue p'roces voordelen kan hebben boven
een discontinue proces,o.a. doordat de installatie niet
steeds opnieuw ingesteld moet worden,werd besloten een schema
te berekenen voor een continue veresteringsinstallatie.
De productie werd bepaald op 20 ton per dag,zijnde ca. 1/5
van de productie van de V.S. in 1947.
Korte samenvatting van de bekende gegevens
1) De afhankelijkheid van de dichtheien van butanol,butylacetaat en azijnzuur werd bepaald in het gebied tussen 20°C.
en120oC. (Li t .• 3) .De verandering van de dichtheid van wa,ter
met de temperatuur is bekend.Lit.4.
2) De kinètiek van de reactie van butanol en azijnzuur is
bekend. Li t .'3.
Als katalysator werd gebruikt :H2S04~Het bleek,dat bij lagere
O'
temperaturen( omstreeks 20 C.) ltet zwav.elzuur als zodanig aanwezig was. Wordt butanol,die 2% zwavelzuur bevat op 105°C.
verhit,dan is 96% van fuet zwavelzuur aanwezig in de vorm
van monobutylsulfaat,dat een acidimetrisch aequivalentgewicbt,heeft van l54,18.Na enkele uren verhitten van het reactiemengsel vermindert de hoeveelheid butylzwavelzuur om onbekende reden.
De reactie tussen butanol en azijnzuur is van de tweede orde.
De katalysatorconcentraties werden bij de proeven gevarieerd
tussen 0,03 en 0,13 % (gewicht),ae verhouding butanoliazijnzuur
tussen 2,99 en 4,99,en de temperaturen tussen 100 0 en 120 oC.
Het bleek, dat het verloop van de reactie onder bovengenoemde
omstandigheden tot op 75% conversie beschreven kan worden door
..
-'-
-4-
de vergelijking :
dX:.
at
k. (A-X) 2
ofgeintegreerd : X
kt - A(A-X)
".'
ka reactieconstante
t - tijd,
A = oorspronkelijke hoeveelheid
azijnzuur.
hoeveelheid
azijnzuur die ge(a) X =
reageerd heeft.
3) Vomr de reactieconstante werd de volgende vergelijking
opgesteld: Lit.3.
kT
= (0,000618
-0,376724.C + 0,180917.C.~
10
.(
C
~
T
~
).
9,140142 - 332Q,~- - Î_ _
1,745
"-
)
(b)
concentratie van de katalysator in gewichtsprocenten.
==
=
,verhouding butanol/azijnzuur in het reactiemengsel
temperatuur in oK.
'
4) De evenwichtsconstante van deze reactie is vrijwel onafhankelijk van de concentratie van de katalysator en van de
temperatuur.De gemid~elde waarde ervan is 2,35.Lit.3.
(K = 4,24 vlg.Lit.l).De evenwichtsconstante wordt merkbaar
beinvloed door de verhouding butanol/azijnzuur.Het is niet
duidelijk in welke richting de evenwichtsconstante verandert.
5) Damp-vloeistof evenwichten:
In de reactor treedt een systeem van vier componenten op,namelijkbutanol,butylacetaat,
azijnzuur en water.De katalysator is niet vluchtig. Aangenomen
wordt, dat de invloed van de katalysator,mede door de geringe
concentratie,op de ligging van het damp-vlveistof evenwicht
verwaarloos~ kan wordem.
Het gehele systeem van de vier componenten is niet bekend.
Voor de berekeningen zal daarom getracht moeten worden dit
-5-
systeem te benaderen vanuit de bekende binaire en ternaire
stelsels.
De' afzonderlijke systemen zijn bijvoorbeeld
~"J.'I.
Butanol-water:
D:i;it
~8'steem vertoont een azeotroop, die
•
'i,
fl4 % (molair) water bevat.Kookpunt 92,7~C.Lit.5.Het verloop van de evenwichtslijn is op de betreffende grafiek I
weergegeven.
1)
~
,
-
2)
Butanol-butylacetaat: De azeotroop iI). dit systeem ligt
- bij 70,5 % (molair) butanol.Kookpunt 116,2oC.Lit.6.
Voor de evenwichtslijn : zie grafiek.II
3)
Butylacetaat-water :Dit systeem heeft een azeotroop bij
7°'16 % (molair) water.~ookpunt 90~5° C.Lit.7.
~
4)
.-
~
5)
~-.
.
Butanol-butylacetaat-water: De damp-vloeistof evenwichten
in dit ternaire stelsel kunnen afgelezen worden mn de grafieken 111 en IV.ln deze grafieke~ zijn de molaire fractiea
van: butanol steeds berekend op watervrije basis.Lit.7 •
Uit deze grafieken blijkt direct,dat er in dit ternaire
stel~el geen ternai.re azeotroop voorkomt bij watergehaltes
van meer dan 5% (~~lair).Dit is in tegenspraak ~et andere
literatuurgegevens,die wel een dergelijke azeotroop vermelden.Li tI.
Het verband tussen de waterconcentraties in vloeistof
.
.
en damp bij concentraties in de vloeistof van minder dan
5 MoI.% is niet bekend.We,l is geconstateerd,dat in dit ge~
bied de waterconcentratie in de damp-zeer groot is t.o.v.
die in de vloeistof.Lit7.
Butylacetaat-azijnzuur en water-azijnzuur.Gedeelten van
de evenwichtslijnen van deze stelsels zijn in grafiek V
weergegeven,alsrnede een practische \levenwichtslijn" voor
azijnzuur,die bepaald werd met een proefopstelling voor
de continue bereiding van butylacetaat.Lit.8,Lit.9.
·
'
· -6-
Deze practische damp-vloeistoflijn van azijnzuur voldeed
aand de wet van Raoult.De concentratie van azijnzuur in de
damp i~ steeds geringer dan overeenkwam met de evenwichtslijnen van butylacetaat-azijnzuur en water-azijnzuur.De
practische lijn geldt uiteraard alleen voor oplossingen
van azijnzuur in een mengsel van butanol en àutylacetaat in
de verhouding 4:1.
r
-7-
~~b.r.i.iYi~J.:.an
dei rilliallat ie:
Bij dese 'installatie wordt
een mengsel van overmaat butanol,azijnzuur,katalysator en ook
nog butylacetaat ingevoerd in een destillatiekolom.De temperatuur
van deze voeding wordt op IIO~llioC. gebracht met behulp van
. ~,~, - \ ~'" 't.
een voorverwarmer.De bodemtemperatuur van de'reactiekolom,
wordt op 119 0 C.gehouden door middel van een temperatuurregelaar
die op de stoomaansluiting van de verdamper in de bodem van de
kolom werkt.De reactor is uitgevoerd als een destillatiekolom,
en bevat 8 schotels.De voeding wordt ingevoerd op de bovenste
schotel.Terwijl de vloeistof over de platen naar beneden vloeit
reagerenbutanol en azijnzuur onder vorming van butylacetaat
en water.Doordat de k~okpunten van de binairee azeotropen
... .,
....
và{). butanol;':met,; wat~r:: eny.à.!l ~butylacetaat met water respectievel'ijk bij 92, 7 oC. en hlil.j 90, 5 0 C• liggen wordt een damp bestaande
uit water,butanol en butylacetaat afgedestilleerd.Daardoor wordt
dus water aan het reactiemengsel onttrokken en de reactie loopt
voor ca. 99% af.
De afmetingen van ,de schotels ZIJn zo gekozen dat de vloeistof
gemiddeld 6 minuten op d~ schotel verblijft.De ?ontacttijd
in de bodem van de kolom is ca. 20 minuten. Een kortere contact
tijd per schotel zou aanleiding geven tot een groter aantal
schotels.Waar~chijnlijk zijn korte contacttijden gunstig wegens
relatief grotere conversies per tijdseenheid.De berekening van
lange reactiekolommen wordt bemoeilijkt door h~t ~iet VOlledig
bekend z,ijn van ~e damp-vloeistofevenwichten.
De hoogte van het vloeistofniveau,op de schotels bedraagt ca.
I dm.Wegens de zeer geringe,dampbelasting moeten de schoorstenen in de "bubble capsn hoog uitgevoerd worden,zodat de vloeistof niet door de "bubblecaps" naar beneden kan lopen.
F
.
•
Over de top van de reactor destilleert een damp;die naast butanOI,butylacetaat en water ook nog azijnzuur bevat.Om~dit azijn.
zuur direct in de kolom te kunnen terugvoeren wordt het dampmengsel eerst nog in een kleine kolom min of meer gerectificeerd.
,
-8-
~.
tf
-l
De damp,die over de top van deze kolom wordt gecondenseerd.Bij
condensatie treedt ontmenging in de vloeistof toestand op.In
een afscheider wordt de waterlaag van de organische laag gescheiden,waarna de organische laag in de.stripper teruggevoerd
wordt.Deze vloeistof heeft dus niet dezèlfde samenstelling als
de damp,die de kolom verlaat.Daarom kan ook niet van een normale
rectificatie gesproken worden.
Ren mogeli jke andere uitvoering van dit laatste gedeelte.van
de kolom zou diê::zijn waarbij de damp eerst partieel gecondenseerd wordt,en de daarbij ontstane vloeistof in de kolom wordt
teruggevoerd.De rest van de d~p wordt dan in een totale condensor gecondenseerd,de twee vloeistoffen gescheiden,en de organische
laag teruggevoerd in de reactor.Een nadeel van deze werkwijze
is,dat de teruggevoerde organische laag meer water bevat dan
di t op een van de schotels het geval is.t;
Het bodemproduct van de reactor,dat b~staat uit butanol,butylacetaat,k~talysator en een weinig water wordt verpompt naar een
verdamper,waar de vluchtige bestanddelen van het reactiemengsel
geheel verdampt worden.Een geconcentreerde oplossing van butylzwavelzuur in butanol en butylacetaat wordt continue uit deze
verdamper afgevoerd.De damp wordt gebracht in een destillatie
kolom. In deze destillatiekolom
wordt het .ingevoerde·
mengsel ge. '
' ! scheiden in de azeotroop butanol-butylacetaat (, 60 MOl%;·outanol).
als destillaat en zuiver butylacetaat als bodempr-oduct.Dit
bodemproduct wordt dan gekoeld en afgevoerd naar de opslag.
Het topproduct van de destillatiekolom wordt gecondenseerd.
Eën gedeelte van het condensaat wordt in de destillatiekolom
teruggevoerd.Het overige deel wordt,vermengd met aequivalente
hoeveelheden butanol en azijnzuur en weer in de reactor teruggevoerd.
Het is ook mogelijk beide delen van·de installatie afzonderlijk
te laten werken.paartoe·worden dan naar ·een opslag afgevoerd
.
.
en de grondstoffen uit een opslag aangevoerd.De voorwarmer en
de verdamper moeten dan een grotere capaciteit kunnen laveren
-9-
teneinde de koeae vloeistoffen geheel te kunnen opwarmen.
de
Materiaalbalan~Qver
-
ë
inata]lati~-4
Materiaalbalans over de reactor
Voeding: 133,16 gmol/min.
284,13
102,58
1,67
_~2 __
azijnzuur
butanol
butylacetaat
water
zwavelzuur
522,06
Bodemproduct
2~70
153,27
232,64
1,70
gmoljmin
gmol/min~
--D....5..2-
azijnzuur
butanol
buty1acetaat
water
zwavelzuur.
399,83.
Topproduct
130,43
0,40
gmo1/min water.
butanol
0,40 '
butylacetaat
131,23
De verliezen,die opteeden doordat in het water,dat uit de afscheider afgevoerd ,wordt nog butanol en butylacetaat opgelost
is zijn blijkbaar gering.Dit blijkt nogmaals uit onderstaande
tabel over de sam~nstelling van. het condensaat, van het z.g.,
ternaire stelsel- butanol-butylacetaat-water. Li t .. 1. '
butylace:taat butanol
Bovenlaag in afscheider
75%
25%
.'
80,5,, %
-', ril.
1,92 /0 .
~.
water'
--
, . 6,1 %
1,69 % 97,39 %
13,4%~
-10-
Materiaalbalans over de afscheider:
...-
Wanneer aangenomen wordt,
dat de samenstelling van het dampmengse1,dat uit de stripper
komt de volgende is: Lit.9
17,85 gmol/min.
butanc:ll
buty1acetaat
53,55
water
158,70
230,10
dan wordt het condensaat gesp'li tst in lagen van de volgende
samenstelling
Organische
Waterrllke laag
0,40 gmol/min.
butanol
buty1acetaat
0,40
water
_--12~43 __
131,23
butanol
butylacetaat
water
1~.:..
17,45 gmol/miri..
53,15
28 2 27
98,87
Materiaalbalans over de destillatiekolom :
Voordat liet reactiemengsel in de destillatiekolom komt worden
in de ver~amper alle vluchtige bestanddelen verdampt.De concentratie van het zwavelzuur (Ofwel butylzwavelzuur) wordt in de
verdamper' dus hoger.Om het zwavelzuur te verwijderen wordt
continue een hoeveelheid vloeistof aan de verdamper onttrokken.
De hoeveelheid die onttrokken wordt bepaal~ uiteindelijk de
zwavelzuurconcentratie in de verdamper.De hoeveelheid,die gespuid
wordt werd gesteld op 8,19 gmol/min.De samenstelling wordt
dus:
0,52 gmol/min.
Zwavelzuur
azijnzuur
butanol
butylacetaat
water
0,05
3,03
4,56
0,03
-s,19
Condensaat dest.
kolom :
Voeding dest.kolom.
azijnzuur
2,65
azijnzuur
2,65 grool/min. ~ode!!illroduct;
butanol 149,60
102,58
butanol
150,24
buty1acetaat 125,50 ester
1,67
water
butylacetaat228,Q8
butanol
0,64
256,50
water
1,67
.126,14
382,64
-11-
Suppletie voor terugvoering in de reàctor
butanol :
"l~'4:-,53 ...gmol/min.
/>'.'
butylacetaat
~l3Ö~5i gmol/min.
zwavelzuur
0~52 gmol/min.
.~
:
Be.p}l1ing van de capaci tei ten van verwarmers en verdampers :
De verdampings~armte;lj'soortelrjke warmtenJen .. de: kool:cptinten vàn de
verscl1illende componenten, zIjn hieronder vermeld :
verd.warmte Kcal/Kmol
soort. warmte Kcal/Ifmol kpt.
azijn~uur
118,1oC.
5805,0
31,32
butanol
10352,8
50,84
117
butylacetaat
8563,2
125
53,23
water
18,07
100
9592,2
\~anneer
aangenomen wordt, dat het destillaat de samenstelling
beeft zoals die op pag.lO vermeld werd, dan kan berekend worden,
dat de warmte,die in de reactor ingevoerd moet worden, bedraagt :
126000 Kcal/uur.
wanneer aangenomen wordt, dat de totale verdampingswarmte gelijk
is aan de som van de verdampingswarmten van de afzonderlijke
componenten.De veresteringswarmte bedraagt -1250 Kcal/Kmol.
Daar rekening moet gehouden worden met warmteverliezen werd~n
zowel de verdamper in de reactor als de condensor berekend
voor 180000 Kcal/uur.
De voeding van de destillatiekolom wordt in dampvorm ingebracht.
De verdampingswarmte van de voeding kan met behulp van de samens telling van de voeding additief berekend· worden.De totale
verdampingswarmte wordt dan afgerond
215000 Kcal/uur.
De verhitter in de destillatiekolom moet bij de gekozen terugvloeiverhouding een capaciteit hebbeb van 600000 Kcal/uur.
De condensor moet dus een capaciteit hebben van 815000 Rcal/uur.
-12-
voorwarmer moet dat gedeelte van de voeding,dat gesuppleerd
wordt opwarmen van 20° tot ,113 0 C.Daartoe is een overdracht van
warmte nodig van 59000 Kcal/llur.
D~
+
.f ...-
De koeler van het eindproduct moet het butylacetaat van 125°C
tot ,~O':O·O•• afkoelen.Er moeten 3'7ö(§t§) Kcal/uur afgevoerd worden •
3 jf./r........,.
,
.
-l~­
:7
Bepaling van de afmetingen van de apparaten :
1) Voorwarmer : ,De benodigde warmteoverdracht is 59000 Kcal/u.
De warmte overdrachtscoefficient is U= 900 Kcal/u.m 2 .OC. ,
Het benodigde oppervlak kan berekend worden als het logarithmisch gemiddelde van het temperatuursverschil bekend is.
Bij de aangenomen temperaturen
(zie fig.) is dT
42°C.
2
A
~1,56 m2 ~ 16,8 ft
U~dT·
=
=
=
1 ....
1
Dit oppervlak kan verkregen worden met 7 1/2"-buizen van
t
14,7 ft.lengte. Lengte van de voorwarmer 4500 mmo
diameter
100 mmo
2) Condensor van de-reactor:
Benodigde warmteafvoer 180000 Kcal/h.
U
1000 Kcal/u.m 2 .oC. bij 600 kg koelwjl ft/sec
dT
67°C.
Hieruit volgt voor het koelend oppervlak A= 2m 2 = ~l, 5 ft 2 •
Bij gebruik van buizen van l//~/ 4" kan dit bereikt worden
met 11 buizen met een lengte 'van 5,7 ft.
Afmetingen van de condensor
lengte " 875 mmo
diameter
250 mm
=
=
~.
~
2 passages:.
3) Verdamper yan'de reactor;
Benodigde warmtetoevoer 180000 Kcal/U: = V20000 BTU/u
Voor de warmteoverdracht bij-gebruik van stoom van 150°C.
wordt aangenomen: 10000 BTU/u' ft 2 •
Benodigd verwarmingsoppervlak ;" 72 ft 2
Bij gebruik
van buizen van 1/5/4--,die :"8 ft. lang zijn
.
wordt het aantal buizen : 26\
De .. afmetingen van de buizep.bundel in de verdamper worden
dus : Lengte 2500 m~.Diametet 300 mmo
..
-14-
Afimb.eider
.t
De hoeveelheid condensaat,dieiÏ.iltde afscheider
. komt is ca. 1000 l/uur.Indien een vat van 500 1. gebruikt
wordt heeft de vloeistof 30 minuten tijd om uit te zakken.
In de meeste gevallen is 5 min. reeds voldoende.
Diameter van het vat 600 mmo
Hoogte
1800 mmo
,-
i
=
. , 'I
Benodigde warmtetoevoer : 215000 Kcal./h.
860000 BTU/u.
~varmteoverdracht : 10000 BTU/ft~ubij een temperatuursverschil . i
tussen vl~eistof en wand van 1·3 0 F. (max. warmtestroom 12000 BTU/ ft~
.
v
= 86 ft 2 •
Verwarmend oppervlak
Bij gebruik van 1/5/4" buizen van 3 ft.lengte.zijn 85
buizen nodig.
Afmetingen van de buizenbundel
Lengte
1000 mmo
Diameter
450 mmo
Verdamper van
de.daa1illati~olom
Benodigde warmtetoe:voe,r : 600000 Kcal/u. = 240,0000 BTU/u.
Warmteoverdracht : 10000 BTU/ft~u 13 0 F.
Verwarmend oppervlak : 240 ft 2
Bij gebruik van buizen van 1/5/4~ met een lengte van 6ft.
zijn nodig 120 buizen.
Afmetingen van de buizenbundel :
Lengte 1830 mmo
Diameter
600 mmo
Gondensor vau-~destill~iekolom
Benodigde warmteafvoer : 815000 Kcal/U.
U 1000 Kcal/m 2 • oC.h.
dT _ 87 oC.
Hieruit volgt,dat het
koelend oppervlak = 9,5 ~.= 102 ft 2 •
=
L{
,""
-15-
= 32500 kg.
~e benodigde hoeveelheid koelwater is
8~§000
De aangenomen U geldt voor 600kg koelwater lu.met een snelheid van 1 ft/sec.
Bij gebruik van 57 buizen van 1/5/4" wordt de lengte van de
buizenbundel 5,4 ft.
lengte 1700 mme
Afmetingen van de condensor
diameter
400 mme
0
0
Koeler van h~t-ai~Qdu~Voor de koeling van het eind
product tot op 40°C. moeten -147000 BTU/u worden afgevoerd.
Deste,mperatuursstijging van het koelwater is 25 0 C.Voor de
koeling zijn nodig 1480 kg./u water.Bij gebruik van een
koeler,die bestaat uit twee concentrische buizen respectieve+ijk van l~!' en 2" diameter, wordt de snelheid vam het koelwater 8,4 ft/sec.De ester vloeit door de binnenbuis •
dT = 49 0 C.
Overdrachtscoefficient: 200 BTU/ft 2
Benodigd koeloppervlak :
14,7·ft. 2
De 1eng~e van de buis wordt dan : 43,5 ft.
14 m.
De koeler wordt opgesteld in 7 stukken van 2 meter.
ec.
=
Berekening van de reactiekolom
Bij de berekening van de reactiekolom wordt uitgegaan van een
bodemproduct van een bepaalde samenstelling. Deze samenstelling
werd hier zo gekozen,dat enerzijds de hoeveelheid ester in het
bodemproduct zo groot mogelijk was,en anderzijds de concentraties van butanol en azijnzuur in de voeding van de kolom ~og
- zodanig zijn, dat met vergeli1j'king (b) nog geen negatieve waarde
van k gevonden werd .• De vergelijkingen voor de reactiesnelheden
kunnen nu dus o~ de kolom toegepast worden.
Bij de' berekening van de kolom moeten verschillende aannamen
worden gemaakt :
1)
2)
Gver de reactiekolom treedt geen warmteverlies op. Dit is
niet in overeenstemming met de werkelijkheid,maar later
zou een correctie aangebracht kunnen worden.
De verdampingswarmten van de vloeistoffen op alle platen
wordt constant verondersteld en gelijk aan de verdampingswarmte \T,,?-nddel::vlo.eistnfdep de bodem van de reactor .Hierdoor
worden de molenstromen vàn vloeistof en damp door de gehele
reactor dus constant.
De lt<i.neti~ca:':1van de reactie onder de gekozen omstandigheden
is hetzelfde als in Lit.3 beschreven werd.De verhouding
butanol/ azi jnzuur is hier 2, ·2 .. De in de literatuur genoemde
verhouding was 3-5.
De samenstelling van een vloeistof die een plaat verlaat
is gelijk aan de gemiddelde samenstelling van de vloeia,tof op die plaf.!t.
~
3)
4)
Wanneer nu een bepaald bodemproduct wordt aangenomen,dan kan
met behulp van de damp-vloeistof evenwichten de samens~lling
van de damp in de bodem van de reactor worden berekend.De hoeveelheid die er verdampt wordt bepaald door de warmte die in de
kolom gebracht wordt.
Vergeli~king (a) kan omgevormd worden tot de volgende vergelijking :
X
k •..•. reactieconstante.
A-X
Ao •••. conc.azijnzuur gmol/l.
X•• hoev~azijnzuur die gereageerd A••••• hoev.azijnzuur aanweheef~
zig. gmol
t ••. contacttijd in minuten.
-17-
Uit de bekende samenstelling in de bodem van de kolom kunnen
~o,A, B/A,en C.wor~en berekend.B/A en C geven,ingevuld in .
vergelijking (b) ,k.Nu kan X worden berekend.Detcontacttijd
in de bodem van de kolom wordt op 20 minuten gesteld.Op alle
andere platen is de contacttijd 6 minuten.
Over. de bodem van de kolom kan nu een materiaalbalans worden opgestÊüd in gmol/mj.n.Op deze wij ze wordt de samenstelling van de
vloeistof,di.e van de eerste plaat afkomt bepaald worden.Deze
samenstelling moet worden gecorrigeerd voor de reactie die
in de bodem heeft plaatsgevonden. Daartoe wordt X/t opgeteld
bij de molenstromen butanol en azijnzuur,die van de eerste
plaat afkomt,en afgetrokken van de molenstromen butylacetaat
en water.
Daar nu de samenstelling van de vloeisto~,die van de eerste
plaat afkomt,LI,bekend is kan dezelfde reken~ijze toegepast
worden op de reactie,die zich op die plaat afspeelt,en op
de materiaalbalans over die plaat.
r-
Een moeilijkheid bij deze berekeningen is de vaststelling van
de. samenstelling van de damp.Voor het ternaire stelsel butanolbutylacetaat-water zijn geen vloeistof-damp evenwichtslijnen
bekend beneden 5 Mol.% water.In Lit.9 is een practische
lijn voor de percentages water in vloeistof en damp gemeten.
De helling van deze rechte lijn is 6,846 Mol.% water in de
damp bij 1 Mol.% water im de vloeistof.
Bij de berekeningen werd ook vastgehouden aan een dergelijke
practische lijn voor azijnzuur.De percentages butanol en butylacetaat in de damp kunnen goed uit de grafieken 111 en IV
afgelezen worden.·
Op deze wijze werden de molenstromen van de verschillende
componenten in vloeistof en damp berekend voor het geval,
dat de dampstroom 230 gmol/min. bedraagt.(minimale hoeveelheid).
De berekende waarden zijn in de volgende .tabel opgenomen:
-18P
Azijnzuur
Butanol
Bu ty1acet aat
Water
Zwavelzuur
'V
A
B
E
W
3
2,44
93,88
78,71
54,97
C
A
B
E
W
V7
7,13
35, .53
35,52
151,80
C
L' .
1
V
6,68
2,70
0,53
106,31 263,03
153,27
'.
232,64 114,73 343,91
1,70
8,44
6,69
0,52
0,52
39°,83 230,00 620,83
V4
L5
14.
28,81
4,07
47,17
270,82
54,76
247,43
287,68
251,68
58,44
33,00 112,70
75,00
0,52
0,52
L8
121,35
299,32
157,64
42,98
0,52
V8
17,25
44,69
32,36
135,70
VI
0,87
107,09
104,14
17,89 .
V
5
6,76
30,08
36,75
156,40
L -voeding
9
152,40
329,41
133,55
5,95
o 52
..._~-621,83
L2
V2
10,94
1,38
267,73 104,28
91,72
329,41
. 12,22
32,01
0,52
L6
71;16
244,05
208,69
97,40
0,52
L3
17,75
271,22
310,69
20.64
. 0,52
V6
10,12
29,06
34,41
156,40
L7
99, 7~ .
269,30
181,08
72,13
0,52
Voeding
L9
20,95 . 131,45
44,69
284,72
102,18
31,37
5,95
~.Qb.
102,96
518,84
In de onderstaande tabel zijn de waarden van de grootheden, die b~j de
reactie een rol spelen voor elke plaat weergegeven
Plaat
Bodem
I
11
111
IV
V
VI
VII
VIII
Temperatuur
119
118 117
116
115
11~
113
112
111
contacttijd
22
6
6
6
6
6
6
6
6
C gew.%
0,134 0,085 0,086 0,088 0,091 0,103 0,195 0,106
0,107
·H/A
Ao
X per min.
56,76
39,38 24,47 15,28 9,40 5;?4) 3;f3) 2,69
2,47
0,0532 0,0848 0,0864 0,0886 0,396 0,«7'19 J;,13· 1,62
1,99
3,4~
l~t;92 6,~0 10,00 15,73.,.;<"''2'1,30 25,27 24,55·24,67
Ui t deze berekeningen volgt, dat dus 8 platen voldoende zijn
voor volledige verestering.
-19-
Bij de berekeningen werd een damp-vloeistoflijn voor water
aangenomen met 7 ,2 MOl.,%,".water in de damp per MoT'.% water in
de vloeistof. Deze waterlij:rt, is bij de berekeningen de grootste
moeilijkheid.Bij een hellimg van 7,4 % wordt het watergehalte
op de onderste platen tenslotte zo groot, dat niet meer aan de
evenwichtscmnstante op die plaat wordt voldaan.Bij een helling
van 6,846 Mol.% wondt het watergehalte op de onderste platen
steeds kleiner totdat het tenslotte negatief wordt.
.J .. _
•
In feite wordt de berekening van de omzettingen op de platen
weinig beirivloed door kleine veranderingen in de damp-vloeistof
evenwichten.
Er werd ook nog een berekening gemaakt, waarbij de hoeveelheid
damp 400 gmol/min. bedroeg.Ook hier bleken voor volledige verestering 8 platen nodig te zijn.De waarden van X per min. zijn hieronder weergegeven :
Bodem
X/min. 3,75
Plaat 1
4,14
11
6,72
111
IV
V
~""':VI ;.t';. VII ,,:-:-:: VIII
10,70 15,80 16,31 23,51 25,40 ~25,12
Dit maakt het waarschijnlijk, dat wanneer met warmteverliezen
over de kolom ~ekening wordt gehoaden en de molenstromen in
het onderste deel van de kolom dus groter worden, ook slechts
8 platen nodig zullen zijn.
In de literatuur werd melding gemaakt van een proef met een dergelijke veresteringsins~allatie,waarbij in de prabtijk 5 platen
voldoende waren, terwijl de berekening 7 platen aangaf.Lit.9.
Het is dus gebleken, dat de gegevens omtrent de damp-vloeistof
evenwichten te omvolledig zijn om een duidelijk vastgelegd
beeld over de toestand in de kolom te geven. Intussen mag wel
worden aangenomen,dat een kolom met 8 platen voldoende is voor
de verestering.De afmetingen van de kolom zijn zo gekozen,dat er
op elke plaat een contacttijd van 6 minuten optreedt.De diameter
van de kolom is dan 3200 mmo bij een vloeistofhoogte van 130 mme
op de platen.De dampbelasting van de kolom is zeer gering.
-20-
--
De schotel tot schotel berekening werd voor het laatste
geval (400 mgmol damp/min.) nog voortgezet tot in de stripper.Daarbij bleek,dat bij gebruik van de pravtische dampvloeistoflijn voor azijnzuur,lièt azijnzuurgehalte in de
damp na 6 schotels 70% gedaald wàs.Bij verder doorrekenen
veranderde het azijnzuurgehalte' nógtm~ar weinig.ln de practijk kan het azijnzuur in de damp met behulp van een kleine
kolom gehe.el uit de damp gewassen worden, zodat bi j de berekening aangenomen azijnzuurlijn niet goed kan zijn.
De afmeting van de kolom werd berekend aan' de hand van de
gegeven dampb~last.ing.Als diameter werd gekozen 560 mm.,
plaatafstand 400 mm.Aantal platen = 10.
De destillatiekolom werd.berekend met behulp van een enthalpiesamenstellingsdiagram.In verband met het watergehalte van de
voeding van de destillatiekolom werd als samenstelling van de
azeotroop,die over de top destilleert aangenomen 60 %.butanol
en 40% butylacetaat.(zie grafiek III).AIs terugvloeiverhouding
werd genomen 4,96 ( ca.3 maal de minimale terugvloeiverhouding~
-Uit het diagram bleek,dat theoretisch 12 schotels voldoende
zijn.Bij aanname van een schotelefficientie van 70% wordt
het aantal practische schotels 17.De diameter van de kolom
werd bepaald op 1400 mm.,de plaatafstand op 450 mmo
-21-
i
".
Li ter at uur :
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
P.H.Groggins,Un~t
processes in organi? synthesis (1947)
D.B.Keyes,Ind.Eng.Chem. 24 1096 (1932).
C.E.Leyes,D.F.Othmer,Ind.Eng.Chem. 37 968 (1945).
e.i).I-lo1H~MA.I\o', Handbook of Chem.& Physics.
J.S.Stockhardt & C.M.Hull,Ind.Eng.Chem. ~ 1438 (1931)
A.S.Brunjes & C.Furnas,Ind.Eng.Chem.27 396 (1935)
A.S.Brunjes & C.Furnas,Ind.Eng.Chem.28 5J3 (1936)
F.Kirschbaum,Dest.u.Rektifiziertechnik.(1950)
C.E.Leyes & D.F.Othmer,Trans.Am.lnst.Chem.Engrs.
41 157 (1945)
I.
I
De winning van butylacetàat uit het
reactiemeng~el ..
Butylacetaat wordt uit het reactiemengsel gewonnen door middel
van rectifièatie in een schotelkolom, waarvan de afmetingen en
schotelgetallen berekend werden.
Bij de berekeningen van het theoretische schotelgetal werd ge-·
bruikgemaaktvan het enthalpie-compositie diagram.
De eis was gesteld,butylacetaat te bereiden vrij van zurebestanddelen en waarin ten hoogste 0,5 gewichtsprocenten butanol voorkomt.,
Het reactiemengsel bevat vier componenten: butylacetaat,butanol,
azijnzuur en water. Met zwavelzu:ur behoeft geen rekening.te worden
gehouden. daar voeding in dampvorm wordt toegepast.
.
Strikt. genomen moet een schotel tot schote~ berekening worden
uitgevoerd om tot een theoretisch schot~lg~tal te komen, maar
de literatuur. vermeldt onvoldoende quantitatieve gegevens' om met
de.ze methode tot een voldoend nauwkeurig resultaat te geraken.
Een gelukkige omstandigheid is we~ dat zowel azijnzuur als water
slechts in geringe hoeveelheden ,voorkomen. De berekenlngèn kunnen dan worden gebaseerwop de gegevens welke de literatuur ver~
schaft betreffende· het· systeem butylactaat ....butanol. Wel verschaft
de literatuur ons qualitatiev~nlichtingen over de invloed welke
het azijnzuur en het water op laatst genoemd systeem uitoefenen.
Lit.no:I geefl;áe evenwichtslij.n van het systeem butylacetaat- .
butanol, hierui1JVolgt, dat een mengsel dat c .. a. ~ mol.% butanol
bevat te scheiden is in een top-product,een azeotroop 'die
72 mol.% butanoJtbevat, en een bodemproduct bestaande uit'~zuiver
butylacetaat. Fig.no+ .ï geeft die evenwichtslijn weer.
Diezelfde literatuur geeft ook evenwichtslijnen van het 'systeem
butylacetaat-butanol-water, ,echter al~een voor constante hoeveel_
heden water, men heeft de grafiek uitgezet voor het watervrije,
deel en ook de mol.% uitger~kend voor het watervrije deel. Zo
komen dus in fig. no: levenwichtslijnen voor behorende bij
mengs~~s. welke 5 en IO .01.% water bevatten. HOrizontaal is
in deze grafiek uitgezet het aantal mol.% butanol op watervrije
basis.
'
-.
'
~.,..
2
•
In werkelijkheid zal' het percentage water in de kolom van schotel
tot sc~otel vari~ren. Uit literatuur no:2 en no:3 blijkt dat
bij destillatie van dergelijke mengsels het w~ter geheel over
de top destilleert en het'bodemproduct geheel watervrij is.
Het is nu mogelijk te berekenen hoe groot het watergehalt~ is
als de samenstellingen vanbodemproduct, top en voeding'bekend
zijn. Zij worden aangenomen als volgt:
top: 60 mol.% butanol op watervrije'basis.
bodem: O~5 mol.% butanol op waterVrij'~,' basis.
v;."oeding:39', 72 mol.% butanol 0,p watervrije basis!.
Van reactor':
.
,
0,44 mol.% water
Over de top komt dus een mengsel meteen mol.% water:
66....0,5
~~""'" x O.~:;Q,66 mol.% water.
,
L
•
• f
"=""I:_ _
39,72-0,5 ,
Uit fig. no:I kan men twee conclusies trekken:
IJ Het geh~lte butànol der'azeo~roop daalt sterk onder invloed
" van weinig water.
",
'
2) ',De invloed van' het' water' is het sterkst bij de kleine hoeveel, heden, neemt progressief af. Ruw geschat is het verband 10gar~tmisch.
Met behulp van de waarden voor 5 en IO mol.% water is i.D:-fig~'no:I
de azeotroop voor het mengsel met 0,66'mol .. % water'ver~egen door
logaritmische interp~atie.. Deze azeotroop bevat 6t.& mol'.,% bütanol.
Men kan' ,er op rekenen dat in de kolom bij c.a ... 30 mol .. % butanol
al geen water meer'te ,v:inden is~ dus enkele schotels onder de
voeding.
Het water-gehalte.ne~mt duS vanaf Qeze butanqlwaarde Jjot de top
regelmatig toe/tot 0,,66 mol~ aan de top.
Met behulp van deze ,gegevens is de werkelijke evenwichtlijn zoals die voor de gebrUikte kolom nodig is, getrokken en eveneens'
in,fig. no:! weerg~geve.D..
Bij de berekening van de reactor is reeds vastgesteld dat' onder
soortgelijke condities het,water,zich vrijw~l geheel in de damp-phas~ bevilld.,De evenwichtslijnen van h~t water in mengse:J.,s van
butyl~cetaat met butanol lopen zeer s~eil.
Wat betreft het aanwezige azijnzuur kan het volgende worden opgemerkt; bij de berekening van de reactor blijkt het azijnzuur
3
/
van weinig invloed te z~Jn op de damp-vloeistof evenwichten •
. Dit geld~voornamelijk voor geringe concentraties; in de destillatie-kolom zal die beslist minder dan 0,7 mol.% bedragen,' "daarin
de verdamper welke voillr de voeding zorgt, nog een deel van het
azijnzuur wordt omgezet. In de verdamper uevindt het grootste
deel van het water zich in de damp~ waardoor het reactieevenwicht
gunstig beïnvloed wordt.
Uit lit. no:3, blijkt dat het resterende azijnzuur inde kolom
over de top komt, d~venwichtslijn van het binaire systeem
azijnzuur-butylacetaat geeft dit duidelijk aan •.
Om het theoretischa schotelgetal te bepalen werd de we~kelijke
.
~~~m
evenwichtslijn gebruikt om het enthalpie-composietie te construeren.
Mc-Gabe-Thiele diagrammen kunnen hier niet gebrui.kt worden, daar
de verdampingswarmten v~n butanoL en butylacetaat te veëî ver-·
schillen. Om dezelfde redenen is de absorptie-factor methode
ter berekening van het schotelgetal niet bruikbaar.
Bij de constructie van fig·. np:2 werden de volgende waarden
gebruikt:
V.W. Butylacetaat: 8563,2 Jmal./mol.
Butanojij: I0352,8 tcal,./mol.
$.w. Butylacetaat: 5,,23 fCcal.9mol. (o-tZSOC)
Butanol: 50,84 tcal./mol. (0 - L' 6°C'
Van de reactor komt ee~olenstroom:
Butylacetaat: 252,64 mol./min.
Butanol! 153,27 mol./min •.
Water: 1,70 mol./min.
Azijnzuur: 2,70 mol./min.
Zwavelzuur.: 0,52 mol./min.
Het zwavelzuur wordt continu gespuid., aan de verdamper wordt
2,35% van de voeding ontrokken.Daar het zwavelzuurgeha~te in
de verdamper constant moe~lijven, moet het zwavelzuurgehalte
in de verdamper
du~edragen:
~~~*5
x 0,!3 = 5,53 gew,%.
Uit fig. no:2 kunnen we aan de hand van de damp vloeistof
evenwichten berekenen hoe groot de mol.-stroman zijn welke
de verdamper verlaten.
4
. Gespuid wordt:.
4,56 mol.,jmin.i
3~03 mol./min.
O,OI mol·./min.
0,05 mol .• /min.
0,52 mol. /min·,.
Naar de' kolom gaat:
. ·
.Butylacetaat
228,08 mol./mine Butylacetaat
Butanol
150,24 mol./min.. Butanol .
flater .
. I,68 mol./min. Water·
Azijnzuur
2,65 mol./min. Azijnzuur
Zwavel:zuur."
(Re~lux-verhouding
(c.a. O,S' liter/min.)
,
,
4,96J 3x minimale)
Fig. no:2 werd geconstrueerd
zonder dat rekening
werd
gehouden
..,."
.
.'
met eventuele me~,gwarmten, o~ contractie. De laatste b~reikt
volgens de gegevens
van
no:4
een waarde van ten hoogste
.
. lit.
.
,
..
~,8%. Het gevolg. hiervan. is/dat, de damp.(3n vloei~to.flijnen
recht lopen. Voor het theoretische schotelgetal vindt men
12, de bodemverdamper werkt als een ideale schotel;de 13e.
Uit de figuur kan men tevens de vloeisto.f en.dampstromen
bepalen,; ~ezen .zijn in ~~g., no: 3 a~ngegeven.
Bij het bêpaleu van de schotelefficientie zijn de volgende
gege,vens. in aanmerking genomen: .
,
1)Lit. no:5 geeft een gra~iek waarin met behulp van de
gemiddelde relatieve vluchtigheden en viscositeite~een
algemeen voorkomende efficientie.wordt
opgegeven.
.
.
..
Lit • .00:6 geeft de viscositeitswaarden van butylactaayén
butanol bij 120 C. De relatieve'yluchtighede!l wer~en bepaald en
uit-gezet in Fig. no:4. Zo werden gevonden d~ vol~ende waarden+
Gem. rel. vluchtigheid:: I,76
Gem. viscositeit: 0,28 centipoises
.
,
De grafiek levert nu op:
Scho~eleffi?ient~e: E.: 60%
2)1n het algemeen blijken bij destil~atie v~n alcohol~nen mengsels
ervan met andere verbindingen een behoorlijk percentage hogere
schotelefficientie op te treden. paar om is hier aangenom~n dat
de ef~icientie hoger zal liggen en wel, 70%.: E.
(I
Het'practische schotelgetal. wordt dus 17~ Door interp~iàtie
in fig. no:3 vindt men de werkelijke mol.-stromen. Dezen zijn
uitgezet in de schematisch weergegeven kolom;fig. no:5,.
In deze fig.uur vallen de volgende maximale en minimale 'molstromen op:
.
,
~.
•
,
,
. . '
,
.,
,.
•
•
•
.~
...
•
.
•
•
~
t
•
.
•
"
•
"
.
.
'
•
•
•
'
4
•
I
•
,
!
•
. ;
\t
•
0-
.'
..
iI'
••
•
< I '
,
'.~
~
•
p.
. •' . .
",
/Jo ... ',
J
5
Max.:
X. = 1lt38 mol .• /min •.
. y. - I576 mol.,/min.
Stofbalans,:
Butylacetaat
Butanol
A~ijn~uur
Water
Min •. :
X
y
=1~48
=I~I2
mol./min.,
mol •. /min.
Voeding
Top
Bodem'228,08 mol./min 102,58 mol./min. 125,50 mol./min.
'150,24 mol./min.· 149,60 mol./min. 0,64 mol./min.
2,65 n:tol./mi~.
2,65 mol./min.
, 1,67 mol./min.
1,67 mol./min·.
Warmtebalans: .
600.000 KcaL/hr.
Voedingsverdamper : 215.000 Kcal./hr •.
Condensor: 8~5,0,?0 Kcal./~.
(Al.deze cijfers zijn uit .f~g. no~2 verkregen.)
Fig. no:6 geeft de temper~~uren.van de kokende vloeistoffen met
bijbehorende samenstelling,,,zoals afgeleid ~t de gegevens van
lit. no:1.
Het bodemproduct wordt. tot 40 C. gekoeld ~lvorens' te worden
opgeslagen. Hiervoor moeten,word,e,n afgevoe~d: 37~oooKcal./hr.
Bodemverdampe~:
Bepaling van
kolomafmetingen~
.
De belangrijkste gegevens wèike de kolomafmetingen bepalen zijn:
I) De prddlleeie" i,#erband staande met de r~luxverho"ding ..
2) De dampbelasting.
' ,
3) De schoteleffic;J..entie, ~ede bepaald door de vloeistofstroom.
Behalve de genoemde fact~ren speelt ook de kostprijs. van de
kolom een' belengrij,ke rol; lange, kolommen met kleinere diameter
zijn in het algemeen goedkoper wat betreft aanschaffing~n onho"d,in verhouding tot korter~oiommen met grotere d.i,amet'er.
E!lll eerste indruk van de kolomdiameter wordt", verkregen'cidor rekening te houden met de maximale dampstroom.
Lit. no:7 vermeld de volgende formule:
.
"
~C ~IIV(ef-fv)
Hierin is
Pv
x (62~4 x g&~6';0929):'
G=massasnelheid van de dampstroom in Kg/dm2 .
e~ Pi =dichtheden van resp. damp en vloeistofstroom.
C=constante afhanke~ijk van opp.-. spanning en
plaataf~tand
6
Neemt men globaal de schotel. afstand gelijk aan de liniaire
max., optredende dampsnelhe-id geschat .opc.a., C~t5m/sec' .. t 'dus
ç,ijv, 18 inch ,. en de, opp.-spanning volgens Iit • .00:8,. gel'ijk
aan 15 dynes/cm2, dan geeft lit .•. no:? f;i.g.no.:344 voor C een
.waa-rde van 50,0,.•
Gevonden voor
::, 0,778
,
•
:
"
'.'
2
De formule op pag. 5 leyert yoor Gr een w:aarde. van:.I2IO mol./min.m
In de kolom bedraagt de max. dampstroom:I5?6 mol./min.
De diameter·wordt dus,nu: I.29m. (Min.)
De max. vol,.-stroom bedraagt: 0', 832in3Isec. .
Belde laatste gegevens leveren e~n danipsnelheid'op van.:O,645m/sec.
De bovenstaande berekeningen geven slecht e'en globaal beeld van
de'situatie in de kolom.
Een betere bepaling van de' kolomafmetingen wordt verkregen
door aannam~an een bepaalde schotelconstructie.
..l
'-~
q~
Door midde'l van voorlopigg-uerekeningen werd gevonden, dat bij
die schotelconstructie behorende diameter, 56inch moest bedragen.
De dlWlPsnelheid gaat dan bedragen: 0"685m/sec .:
De aangenomen schotelconstructie wordt weergegeven in tig: no:7.
Per "capu is de opp.. van de m.o •.' doorsnede: 9,,39cm2
Bij een totaal van 129 "cspsn : 1211 cm1!.
2.
. Als per sec. in het gehe,el passeert: 832000 cm , bedraagt ~e
snelheid, door d~ nc~prropeningen: 6,88m/sec.
Een zo gunstig mogelijke, snelhej;d in verband met de kolomafme-.
tingen en de efficientie wordt door lit., no:? gegeven" 1'.0 formulevorm uitgedrukt:
Hierin is:
VS(e~t~c.a •. 10,-11
Vs=dampstroom in feet/sec. (20,,97)
~v =dl.chtheid van de damp in lb./feet 3
hier: 0,,444
In ons geval wordt:, vs(~"'~=9,,,3 .
Wordt reken.ing gehouden m~t
een. eventuele overproduçtie van I9%' dan 1,s dus aan d~ yçor'"
waarde voldaan.
De schotel-constructie werd zo gunstig mogelijk bepaald, daarbij zorg dragend~dat in verband met zo gunstig mogelijke
7
•
effieeientie de damp zoveel mogelijk door de vloeistof op de
platen werd geleid,. zonder een al te grote hoJ.dup te krijgen
en de stabiliteit van de plaat niet in gevaar ~e brengeh.
Door de afstand
in fig. no:7 zo klein mogelijk te nemen we!iltd
aan die voorwaarde valdaan.
Lit. no:7 geeft de voorwa~rden voor de stabiliteit van e~n plaat
bij max. vloelstofstroom •
Er werd gebrmik gemaakt van de formule:
hp=~,(gph/IOOOftbreedte)(n/I2)ineh.wa~erhOOgte.
waarin:
n=aantal rijen tleaps" in stro-.?Inriehting. .
Het a~ntalgallons/br. bedraagt max/ft breedte: 853.:
h I't. wordt gevonden ui.t llt. no:7 fig:352 en bedraagt :0,75·.
als N=11.3 "caps"9ft 2 •
V=22,9ft./sec.
~i=:Ot224Lb.lft3.
Nu wordt hp =6,15 inch water, d~w •. z. bij dichtheid 0,760 : 0,81 in
Met behulp vande zelfde gegeven~ geeft lit •. no:7 fig354 de max.
stroom. Deze bedraagt :4750 gallons/hr •. , hieruit mag worden geconcludeerd dat de gekozen p~aatconstructie voldoende stabiliteit
wa:arborc@h., Ok fig' :.355 uit dezelfde literatuur' levert na omzetting van de juiste waarden dezelfde gevolgtrekking op.
Bepaling van ho", .• Dit verloopt volgens de procedure aangegeven
in lit. no:7 pag .. 351 formul~ 291.,·
Q=Ö,0067Wh: 1 ,5
Hierin is: Q=vloeistofstroom in ft .3/see ...
W=overlooplengte
boven de overloop.
Gem2ddeld bedraagt de vlo~istofstroom: 1320 mol./min. Bij gemiddelge dichtheid van .0,760 wordt dit: 0,119ft 3/sec.
,De J,.engte 'van de overloop bij gebruik van twee buizen met een
diameter van 4 inch, bedraagt: W=25,4 inch
Voor ho", wordt zodoende gevonden: 0,.376 inch=O,0332ft ..
de berek'ening van de vloeistoghoogte in de toevoerbuizen·
verloopt zoals in lit. no:? is weergegeven.
h~~Vloeistoflaagdikte
8
,
~.
Gebruikt werd'de :formule: (toegepast op de onderste plaat)
H:::2(h.s +X)-X +O,06(Vl)2 +O,085(V,,)2 (~\I / eJ).
waarin:
O.,06(Vj )2: de verliezen door wrijving dèr vloei-·
, . . sto:fstroom wee~~even
O,085(v:,)~ ( ~v/ eg) geeft de wrijvingsverliezèn .
tengevolge van de gas stroom.
De volgende waarden werden ingavuld:
h.s =O;,l?l5ft. .
i'v=22,9ft/séc. (v'Oor de grootste snelhe.ü),
X == O,,1042:ft...
ç,,=O., 00314
":f = 0;36l:ft/s~c.("""c:U'J
r~=0;,778.
Voor.H.wondt ,zodoende gev~nde.n: O,6292ft,.
De max., plaatafstand moet minstens 2x IDbedragen,dum l5inch ..
Aan deze voorwaarde is door de aanname van l8inch zeker voldaan.
De drukval over een.plaa-:t kan met goede benadering worden verkregen., door de waarde:
H',..(h3 +X) ,te delen door 1/ dichtheid, der vl,
Men' vind zo voor het drukverschil in cm. water:
.7,9cm. '(0,.00765 atm.)
Totaal is het drukverschil over de gehele kolom: O,.13a,tm.
Regeling van de destillatiekolom.
,
.
Er wordt uitgegaan van ean constante voeding; de.stoomregelaar
.
van devoedingsverdamper is 'dan gekoppeld aan de voedingsleiding.
Hèt spuien verl.oopt met 'een regelaar' op het soortel,i.jk gewicht.
De:. tweede. stroom die, werd vástgeiegd is de terugvloeihoeveelheid.
dan liggen van'zelf vast hoe groot de bodem en tepstroom zijn.
Dit laatste geldt natuurlijk 'i,lleén'wànneer de samen-stelling
,
'
van die stromenafgèstemdzijn op die bepaalde refluxverhouding •..
Wanne;er'nu de samens~elling van het boc:iëmproduét vast gelegd wordt
meteen temperatuur-regela'ar, dan behoeft alleen de condensorregeling te geschieden op de hoeveelheid condens. 'nemperatuurregeling van de condensor is niet mogelijk vanwege. het geringe
temperatuursverloop in het bovengedeelte van de kolom~
Zie hiervoor .fig.' no:6.
.
,
9
,
Materiaa,lkeuze.
Voor de voedingsverdamper komt roestvrij staal in aanmerking,;
voor de rest van de installatie is staal voldoend~.
Literatuur.
1)' Brunjes ,A.S .•. , and Furnas,C .C., Ind. Eng., Chem.,28,. 57, (19.36)
2) &eogg~n$fH.P.;, Unit Processes' in Organiè Synthesis,
Edition.
3)Leyes .. C.• E., and.Othmer~D,.F""Trans. Inst. Am. Chem •.Engs. 41,.163, '45
4) Brunjes,A.S,., and Furnas,C.C. t Ind. Eng. Chem.,27 t 396 (1935)·
5) Brown~G.G.t Unit Operations. First Edition,347.
6) Perry"J,.H., Chemical: Engineers' Handbook. Third Edition,373.
7) Brown,G.G.,.~ Unit Operations, First Editio!l, Chapter 24.
,e.
t
I
I~
.'
•
-r
~----~~--~------~----~--===================----T~------~------------------------~------------------________~~____~~~______~~~~~~~~================~==============;;========-=======~~~.l~ ,.
I
- '"
STRJP~R
".!!_.- ---
,.,
~
',.
·:
,!
·
•
L __
'REAC.TOR
.
VOO~\JARI1ERS
.'
~~~~/~I
0-----------'1
I
' '
l)t.STllt:ATltkOt.Ot1:
~
..
..,
"
(
.,
,
I
fl'"
'
....., : :!
ri?'
\,
,
,.;
C
BUTANOL
AZ!JNZUUR
[N
ZI,JAVELZUUR
----,
,:.
'~
I,
'.rABRIKAGf. VAN
H.c. .... :... BEEK
IIUTYlAtETAA'Ç
C;I\.Jf..NSE:N", - .4;;'
'. .