Herstellung von 4-Methyl Acetanilid aus p-Toluidin entlang einer Anlagenplanung inkl. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.
Die Planung einer Anlage zur Herstellung von 4-Methyl Acetanilid aus p-Toluidin ist im Rahmen der Projektarbeit durchzuführen. Zunächst einmal muss mithilfe der SciFinder Datenbank untersucht werden, ob bestimmte Patentrechte von Firmen auf das genannte Thema vorhanden sind.
Ist es ausgeschlossen, dass ein Patent einer anderen Firma vorliegt, kann im Labormaßstab präparativ 4-Methyl Acetanilid hergestellt werden. Bei der Durchführung des Versuchs sind zu verschiedenen Zeitpunkten Proben zu entnehmen und der cp-Wert ist zu ermitteln. Ebenfalls ist zu prüfen, ob der Versuch bestimmte Haltepunkte aufweist, sodass man ohne großen Aufwand und Probleme die Reaktion kurzseitig zum Stoppen bringen kann, in dem man zum Beispiel das System auf Notleitung stellt.
Im Anschluss an den Laborversuch wird die Reaktion in ChemCAD simuliert. Die Simulation wird aus organisatorischen Gründen in einem separaten Dokument abgegeben.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Patentrechte und Anwendungsgebiete
2.2 Chemische Grundlagen
2.3 Kinetik
2.3.1 Differentialmethode
2.3.2 Integrationsmethode
2.3.3 Temperaturabhängigkeit der kinetischen Parameter
3 Versuchsdurchführung im Labormaßstab
3.1 Geräte
3.2 Aufbau der Versuchsapparatur
3.3 Einsatzstoffe
3.4 Versuchsdurchführung
3.5 Analytik und Auswertung der Ergebnisse
3.5.1 Gaschromatographie
3.5.2 Differenz Kaloriemetrie
3.5.2.1 DSC Durchführung
3.5.2.2 DSC-Messergebnisse
3.5.3 Auswertung der Reaktionskinetik
3.6 Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung
3.7 Bestimmung des Reaktorvolumens
3.8 Auswertung des Laborversuchs
3.9 Berechnung der theoretischen Ausbeute
3.10 Upscaling
4 Anlagenplanung
4.1 Allgemeine Anlagenaufnahme
4.2 Prozess- und Verfahrensbeschreibung
4.3 Hauptprozess
4.3.1 Dosierung und Reaktion
4.3.2 Feststoffdosierung
4.3.3 Toluol Tank, Acetanhydrid Behälter, n-Hexan Behälter
4.3.4 Reaktor
4.3.5 Puffertank
4.3.6 Bandfilter
4.3.7 Bandtrockner
4.4 Nebenprozesse
4.4.1 Filtrat Behandlung
4.4.2 Abgasaufarbeitung
4.5 Räumliche Aufstellung und Auslegung der Anlage
4.5.1 Aufstellung und Einbringung der Reaktoren und Behälter
4.5.2 Planung der Rohrleitungen
4.5.3 Feststoffbefüllung
4.5.4 Bandfilter
4.5.5 Austragspumpe
4.5.6 Filtrat Behälter
4.5.7 Lagersilo für Feststoffe
4.6 Vakuumaggregat
4.7 Reaktoren und Pufferbehälter
4.7.1 Berechnung des Volumens
4.7.2 Behälterfundament
4.7.2.1 Bodenbeschichtung des Fundaments
4.7.3 Gesetzliche Bestimmung
4.7.4 Behälterverankerung
4.7.5 Behälterwand
4.7.6 Klöpperböden (Kopf-, Boden-Teil)
4.7.7 Beheizung der Reaktoren
4.7.8 Isolierung der Reaktoren
4.7.9 Kühlung des Pufferbehälters
4.7.10 Rührwerk
4.8 Auslegung der Flüssigkeitstanks
4.8.1 Wandstärke zylindrischer Mantel
4.8.2 Wandstärke Klöpperboden
4.8.3 Windkraft
4.9 Rohrleitungen
4.10 Messtechnik
4.10.1 Füllstandsmessung
4.10.2 Temperaturfühler
4.10.3 Durchflussmesser
4.10.4 Wägezellen
4.11 Armaturen
4.11.1 Rückschlagventil
4.11.2 Regelventilberechnung
4.11.3 Probenentnahmestellen
4.12 Verwendete Normen, Gesetze und Richtlinien
4.12.1 Nationale Gesetze
4.12.2 Internationale Gesetze
5 Kalkulation & Kostenrechnung
5.1 Aufstellungskosten
5.1.1 Umbauarbeiten Haustechnik & Anbindungstechnik (Infrastruktur)
5.1.2 Einbringung & Aufstellung der Anlage
5.1.3 Monteurversorgung
5.2 Kostenrechnung
5.3 Betreiberkosten
5.3.1 Kosten für Rohstoffe
5.3.2 Entsorgungskosten
5.3.3 Verkaufspreis für Produkte
5.3.4 Strompreis
5.3.5 Wartungskosten
5.3.6 Personalkosten
5.3.7 Chemieparkgebühr
5.4 Stillstände und Betriebsstunden pro Jahr
5.5 Kostendiagramm
5.6 Amortisationszeit
6 Fazit
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anmerkung der Redaktion: Einige Abbildungen wurden aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Aufgabenstellung
Die Planung einer Anlage zur Herstellung von 4-Methyl Acetanilid aus p-Toluidin ist im Rahmen der Projektarbeit durchzuführen. Zunächst einmal muss mit Hilfe der SciFinder Datenbank untersucht werden, ob bestimmte Patentrechte von Firmen auf das genannte Thema vorhanden sind.
Ist es ausgeschlossen, dass ein Patent einer anderen Firma vorliegt, kann im Labormaßstab präparativ 4-Methyl Acetanilid hergestellt werden. Bei der Durchführung des Versuchs sind zu verschiedenen Zeitpunkten Proben zu entnehmen und der cp-Wert ist zu ermitteln. Ebenfalls ist zu prüfen, ob der Versuch bestimmte Haltepunkte aufweist, so dass man ohne großen Aufwand und Probleme die Reaktion kurzseitig zum Stoppen bringen kann, in dem man zum Beispiel das System auf Notleitung stellt.
Im Anschluss an den Laborversuch wird die Reaktion in ChemCAD simuliert. Die Simulation wird aus organisatorischen Gründen in einem separaten Dokument abgegeben.
Mit Hilfe der vorangegangenen Untersuchungen kann nun die Anlage ausgelegt werden. Die benötigten Apparate, die anfallenden Kosten für die Baustelle und der Energiebedarf sind zu ermitteln. Zum Schluss wird die Arbeit in einer Entscheidungsgrundlage zusammengefasst, welche fiktiv an die beauftragende Firma überreicht werden kann.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Patentrechte und Anwendungsgebiete
Die Literaturrecherche ergab, dass es ein Patent auf ein Verfahren zur Herstellung von 4-Methylacetanilid mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung gibt. Das Patent für dieses Verfahren ist unter der Nummer CN 104058986 (Typ A, Sep 24, 2014) zu finden. Da das Patent allerdings auf ein anderes Herstellungsverfahren und nicht direkt auf das Produkt bezogen ist, wird es keine rechtlichen Probleme bei der Entwicklung einer Produktionsanlage geben.1
Weitere Patente bzw. Anwendungsgebiete für unser Produkt wurden im SciFinder und in der Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie nicht gefunden.
In einigen wissenschaftlichen Arbeiten wird das Produkt zwar erforscht bzw. verwendet jedoch gab es keine Anwendungsgebiete in großverfahrenstechnischen Anlagen in denen 4-Methylacetanilid als Rohstoff eingesetzt wird. Daher wurde angenommen, dass eine Produktionsmenge von 10t pro Tag ausreichend ist.
Da es kein Patent auf unser Herstellungsverfahren und auf das Produkt an sich gibt, kann mit der Anlagenplanung begonnen werden.
2.2 Chemische Grundlagen
Reaktionsgleichung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1: Reaktionsgleichung
Chemikalien
Die im Anhang aufgeführten Daten sind aus den Stoffdaten und Formelzeichen aus der GESTIS-Datenbank entnommen worden. Sobald eine andere Quelle verwendet wurde ist diese gesondert gekennzeichnet.
2.3 Kinetik
Die Kinetik wurde in einer separaten Arbeit zusammengefasst und berechnet.
Die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion ist wie folgt definiert2:
Formel 2.1
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von dem Zustand des Reaktionssystems:
Formel 2.2
Die Reaktionsordnung gibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Komponente an. Bei Elementarreaktionen entspricht die Reaktionsordnung der Anzahl der an der Reaktion beteiligten Komponenten.
In der Praxis verlaufen die Reaktionen meistens in mehreren Teilreaktionen, welche die Reaktionsordnung und die Reaktionsgeschwindigkeit der Gesamtreaktion unterschiedlich beeinflussen. Wenn eine Teilreaktion langsamer als die Anderen verläuft, wird diese Teilreaktion als geschwindigkeitsbestimmend bezeichnet und in der Gesamtreaktionsordnung am stärksten gewichtet. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann auch unabhängig von den einzelnen Komponenten sein. In diesem Fall ist die Reaktionsordnung bezüglich dieser Komponente gleich null. Die Reaktionsordnung der gesamten Reaktion kann auch den Wert Null einnehmen (z.B. bei photochemischen Reaktionen). So lässt sich aus der Reaktionsgleichung keine Aussage über die Reaktionsordnung treffen. Aus diesem Grund müssen die Reaktionsgeschwindigkeit der Gesamtreaktion und die Konzentrationsabhängigkeit von der Komponente experimentell ermittelt werden.
Die Auslegung von Reaktoren erfordert die Kenntnis der kinetischen Parameter, insbesondere der Geschwindigkeitskonstante und der Reaktionsordnung der untersuchten Reaktion. Diese kinetischen Parameter können durch folgende Methoden ermittelt werden3:
- Differentialmethode
- Integrationsmethode
- Methode der Anfangsgeschwindigkeit
- Halbwertszeitenmethode
In den nächsten Abschnitten folgt die nähere Erläuterung der Differential- und Integrationsmethode. Auf die Methode der Anfangsgeschwindigkeit und der Halbwertszeiten Methode wird nicht näher eingegangen.
2.3.1 Differentialmethode
Bei der Differentialmethode werden die experimentell bestimmten Konzentrationen über der Zeit in einem Diagramm aufgetragen. Durch die so erhaltenen Messpunkte wird dann eine Kurve gelegt, die den tatsächlichen Konzentration-Zeit-Verlauf möglichst genau wiedergibt. 4Als nächstes werden Tangenten an den Messpunkten angelegt um die Steigung ( ) der Kurvenfunktion an diesen Stellen zu bestimmen. Die Steigung entspricht hierbei der Reaktionsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt (Formel 2.3).
Formel 2.3
Zur Abschätzung der Reaktionsordnung wird die Formel 2.3 logarithmiert und gegen aufgetragen (Abb. 2.2). Daraus ergibt sich eine Gerade mit der Steigung und der Ordinatenabschnitt (Formel 2.4).
Formel 2.4
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2: Graphische Bestimmung der kinetischen Parameter mittels Differentialmethode.
Die doppellogarithmische Auftragung führt durch die kleinsten Ungenauigkeiten zu starken Abweichungen, sodass der durch die Formel 2.4, beschriebene Ansatz zur Ermittlung der Geschwindigkeitskonstante sich als unpraktisch erweist.
Die Ermittlung von k kann durch einen anderen Ansatz erfolgen. Dabei wird die negative Reaktionsgeschwindigkeit gegen aufgetragen. Ergibt sich z. B. für eine Gerade, die durch den Ursprung verläuft, so ist die Reaktionsordnung richtig gewählt und die Geschwindigkeitskonstante kann mittels der Geradensteigung ermittelt werden.
Bei der Differentialmethode werden genaue Messergebnisse vorausgesetzt, damit die ermittelten kinetischen Parameter eine hinreichende Zuverlässigkeit aufweisen.
2.3.2 Integrationsmethode
Bei der Integrationsmethode wird zuerst die Formel 2.1 nach der Variablentrennung integriert:
Formel 2.5
Die Integration der linken Seite liefert:
Formel 2.6
Für ergibt die Integration der linken Seite folgenden Ausdruck:
Formel 2.7
Als Nächstes werden die experimentell ermittelten Konzentrationen in die Formel 2.6 bzw.5 Formel 2.7 eingesetzt und über die Zeit aufgetragen. Wenn die Reaktionsordnung richtig gewählt ist, ergibt sich eine Gerade mit der Steigung . Wird dies nicht erfühlt, wird ein anderer kinetischer Ansatz gewählt (Abb. 2.3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.3: Graphische Bestimmung der kinetischen Parameter mittels Integrationsmethode
2.3.3 Temperaturabhängigkeit der kinetischen Parameter
Die Reaktionsgeschwindigkeiten nehmen meistens mit steigender Temperatur stark zu. Bei höheren Temperaturen haben Moleküle höhere Geschwindigkeiten, so dass die Energie der Moleküle bei den Zusammenstößen auch höher wird. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Zusammenstoß zweier Moleküle zu einer Reaktion führt. Der Zusammenhang der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante mit der Temperatur wurde durch Arrhenius in der gleichnamigen Gleichung ausgedrückt (Formel 2.8).
Formel 2.8
Unter der Annahme, dass die Aktivierungsenergie temperaturabhängig ist, wird die Formel 2.8 integriert. Die Integrationskonstante ist dabei der logarithmierte Stoßfaktor . Der Stoßfaktor ist ein Maß für die mögliche Anzahl der Zusammenstöße und wird auch als Frequenzfaktor (frequency factor) bezeichnet.
Formel 2.9
Die Aktivierungsenergie kann in engen Temperaturbereichen mit ausreichender Genauigkeit als konstant angenommen. Die Aktivierungsenergie wird graphisch aus der Reaktionsordnung und den Geschwindigkeitskonstanten einer Reaktion ermittelt. Im ersten Schritt werden die Geschwindigkeitskonstanten für mehrere Temperaturen bestimmt. Als Nächstes werden gegen in einem Diagramm aufgetragen. Die so aufgetragenen Messpunkte müssen auf einer Geraden liegen. Die Steigung dieser Gerade ist nach Beziehung von Arrhenius-Gleichung und der Ordinatenabschnitt ist .
3 Versuchsdurchführung im Labormaßstab
Zu Beginn wird im Labormaßstab das Verfahren zur Herstellung von 4-Methylacetanhilid getestet. Hier kann bereits für die Auslegung relevante Parameter ermittelt werden.in welchem Mengenverhältnis die Edukte eingesetzt werden müssen und die Ausbeute zu optimieren. Ebenfalls kann eine Aussage getroffen werden, ob die Versuchsdurchführung grundsätzlich möglich wäre. Durch gezielte Umsatzbestimmungen können Haltepunkte und die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt werden.
3.1 Geräte
Die Geräte die für die Laborversuchsdurchführung verwendet wurden waren:
-100mL Dreihalsrundkolben -Thermometer -Ölbad mit Kontaktthermometer -Saugflasche mit Nutsche -Tropftrichter -Pulvertrichter -Glasschale
Die vorliegende Verfahrensvorschrift bezieht sich auf ein Reaktionsgefäß mit 500ml Volumen. Da die Durchführung unter Verwendung eines 100ml Dreihalskolben erfolgte, wurden die jeweiligen Mengen herunter gerechnet (Scale down).
3.2 Aufbau der Versuchsapparatur
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.1: Aufbau der Versuchsapparatur6
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.2: Vakuumnutsche Waschung mit Hexan7
3.3 Einsatzstoffe
Für den Versuch im Labormaßstab werden folgende Chemikalien verwendet:
-2,15g p-Toluidin -50ml Toluol (davon 10ml Toluol zum Ausspülen des Feststofftrich ters -2,04g Acetanhydrid -50ml n-Hexan
3.4 Versuchsdurchführung
1. Befüllen eines 100ml Dreihalsrundkolbens mit 40ml Toluol.
2. Hinzugeben von 2,15g p-Toluidin.
3. Auffüllen des 100ml Dreihalsrundkolbens mit dem restlichen 10ml Toluol. Durch die Zugabe wurden die Reste des P-Toluidins aus dem Einfüllstutzen in den Kolben überführt, Fehlerquellen sind weitestgehend zu minimieren.
4. Das System bleibt geöffnet, da es sich um keine Druckapparatur handelt → Gefahren durch Aspiration von Gefahrstoffen vermeiden durch Absaugung der eventuell austretenden Dämpfe.
5. Der Rührer und die Beheizung werden in Betrieb genommen Einstellung auf 115°C.
6. Während sich der Feststoff im Dreihalsrundkolben unter Wärmezufuhr löst, wird eine Masse von 2,04g Acetanhydrid auf der Analysenwaage eingewogen.
7. Bei leichtem Sieden wird der Tropftrichter (gefüllt mit Essigsäurehydrid) auf der Kopföffnung der Apparatur fixiert.
8. Minuten wird das Reaktionsgemisch bei 115°C gerührt.
9. Im Anschluss erfolgt eine Abkühlung auf Raumtemperatur (20°C) mit Hilfe eines Eisbades. Hierbei fallen innerhalb der gelben Lösung Kristalle aus.
10. Das Produkt wird unter Vakuum genutscht und der Reaktor mit
50ml Hexan gespült.
11. Das Spülprodukt durchläuft ebenfalls den Nutsch Prozess.
12. Das filtrierte Produkt 4-Methylacetananilid wird mit 100ml
Hexan gewaschen, ehe die Trocknung in einer Glasschale erfolgt.
13. Zum Abschluss sind noch alle verwendeten Bauteile mit Aceton zu reinigen.
14. Das Taragewicht des Kolbens beträgt vor der Trocknung
59,85g. Das Nettogewicht des feuchten Produkts ergibt somit eine Masse von 3,02g (Annahme da das Produkt nicht zurückgewogen werden konnte).
15. Das Nettogewicht der Trockenrückwage betrug 2,69g (Annahme wurde aufgrund der Daten aus der vorangegangen Bachelorarbeit getroffen8 ). Bei der nächsten Versuchsdurchführung sollten minütlich Proben des Reaktionsgemisches entnommen und analysiert werden um den Reaktionsverlauf und die -geschwindigkeit zu dokumentieren bzw. Nachzuweisen. Aufgrund der anhaltenden Bauarbeiten im Laborbereich konnten im Anschluss keine weiteren Versuche durchgeführt werden, sodass nach Absprache mit Herrn Professor Kreipl, die Randbedingungen, die Versuchs- und die Analysenergebnisse angenommen bzw. abgeschätzt werden mussten.
3.5 Analytik und Auswertung der Ergebnisse
3.5.1 Gaschromatographie
Die Gaschromatographie (GC) ist eine Methode in der analytischen Chemie zum Trennen, Analysieren und Quantifizieren von Komponenten in Stoffgemischen, die ohne Zersetzung verdampft werden können. Die Gaschromatographie wird im vorliegenden Fall genutzt, um die Reinheit und die Umsetzung der Edukte zu bestimmen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.3: Aufbau Gaschromatograph9
Mobile Phase
Als mobile Phase in der GC wird ein Inertgas wie zum Beispiel Helium oder ein nicht reaktives Gas wie zum Beispiel Stickstoff verwendet. Helium ist in etwa 90% der Instrumente das am häufigsten verwendete Trägergas, obwohl Wasserstoff für eine verbesserte Trennung in manchen Fällen bevorzugt wird.
Stationäre Phase
Die stationäre Phase ist eine mikroskopisch dünne Schicht aus Flüssigkeit oder Polymer in einer inerten Säule aus Glas oder Metall.
Temperaturprogramm
Eine veränderbare Variable um eine gute Trennung des Stoffgemisches zu erhalten.
Funktionsweise
Die Säule wird kontinuierlich mit einem Strom an Trägergas durchströmt. Die Probe wird durch ein Septum in den Injektionsblock eingespritzt und verdampft. Die zu analysierenden Komponenten des Gemisches werden dann mit Trägergas (mobile Phase) durch die Säule gespült. Diese Komponenten interagieren mit der stationären Phase in der Säule. Diese Wechselwirkungen bewirken, dass jede Verbindung zu einer anderen Zeit von der Säule eluiert. Diese bestenfalls unterschiedlichen Zeiten werden als Retentionszeiten der Verbindungen bezeichnet. Der Vergleich der Retentionszeiten gibt der GC den analytischen Nutzen.
3.5.2 Differenz Kaloriemetrie
Die dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry - DSC) ist eine Analysetechnik, die untersucht, welchen Einfluss die Temperatur auf den cp-Wert hat.
Eine Probe mit bekannter Masse (5-40mg) wird in einen verkapselten Behälter auch Tiegel genannt eingefüllt. Der vorbereitete Probentiegel, sowie ein leerer Tiegel (Blindprobe) werden in einer Messkammer zeitgleich erhitzt. Hierbei kommt es infolge von exotherm oder endotherm ablaufenden Prozessen bzw. Zustandsänderungen zu Temperaturdifferenzen zwischen Proben- und Blindprobentiegel.
Die Messung der DSC konnte nicht durchgeführt werden, da das Labor aufgrund von Arbeiten am Abwassersystem gesperrt war.
3.5.2.1 DSC Durchführung
1. Vorbereitung der Messung
1.1. Vorauswahl von zwei Tiegeln inklusive Deckel die eine ähnliche Masse aufweisen.
1.2. Den ersten Tiegel für die Messung der Blindkurve ohne Inhalt mit der Stanze verschließen.
1.3. Den zweiten Tiegel für die Messung des Reaktionsgemisches mithilfe der Mikroliter-Spritze mit den Reaktanten (Acetanhydrid, p-Toluidin und Toluol) befüllen und die jeweiligen Einwaagen notieren.
2. Messung der Blindkurve (gegen die Referenzprobe!!)
2.1. Das Programmfenster des DSCs von Mettler öffnen.
2.2. Im Menüpunkt Datei das Feld Methode öffnen.
2.3. Die vorbereitete Methode mit dem entsprechenden Temperaturprogramm öffnen.
2.4. Das Feld Blindkurve aktivieren.
2.5. Experimentsenden anwählen
2.6. Den Anweisungen auf dem unteren linken Bildschirmrand folgen.
2.6.1. Sobald die Mitteilung „Bitte setzen sie die Probe ein“ erscheint muss Blindtiegel in das DSC eingesetzt werden. Den Proberaum wieder verschließen und OK drücken.
2.6.2. Nach einigen Minuten erscheint die Mitteilung „Bitte entnehmen sie die Probe“. Den Tiegel aus dem Messgerät nehmen. Den Proberaum wieder verschließen und OK drücken. Während der Messung kann in der linken Auswahl das Experiment im Modul ab- und erneut angewählt werden, um den Fortschritt des Versuchs zu beobachten.
Anmerkung: Die Messmethode ist so voreingestellt, dass die Blindkurve automatisch von der Messkurve abgezogen wird!
3.5.2.2 DSC-Messergebnisse
Das in Abbildung Abb. 3.4 dargestellte Ergebnis aus der DSC-Messung lässt keine greifbaren Aussagen über die Reaktion zu. Die einzige Schlussfolgerung, die aus der Abb. 3.4 getroffen werden kann, ist, dass es sich bei der Reaktion um keine autokatalytische Reaktion handelt. Um weiter Aussagen über die zu untersuchende Reaktion zu treffen werden weitere DSC-Messungen benötigt.
Da es sich um nicht um eine autokatalytische Reaktion handelt, kann die Reaktion in jedem Stadium gestoppt werden. Jedoch kann es zu Anbackungen des Produkts (zum Beispiel im Reaktor) kommen, wenn der Rührer und der Heizkreislaufausfallen sollte.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.4: Ergebnisse DSC-Messung10
3.5.3 Auswertung der Reaktionskinetik
Die Auswertung der experimentell ermittelten Daten der untersuchten Reaktion (Abb. 3.5) erfolgte nach den im Kapitel 2.3 beschriebenen theoretischen Ansätzen. Die so bearbeiteten Daten wurden dann für die Berechnung des Reaktorvolumens mit der Simulationsprogramm CHEMCAD verwendet. Im weiteren Verlauf der Auswertung wurden die Edukte p-Toluidin und Acetanhydrid mit Buchstaben A und B abgekürzt und Produkte mit Buchstaben P und E.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.5: Reaktionsgleichung Herstellung von 4-Methylacetanilid aus p-Toluidin und Acetanhydrid
Die Reaktionsgleichung (Abb. 3.5) liefert einen möglichen kinetischen Ansatz für die Bestimmung der Reaktionsordnung und der Geschwindigkeitskonstante (Formel 3.1).
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Formel 3.1
Unter der Annahme, dass die beiden Edukte die gleiche Anfangskonzentration haben, lässt sich der kinetische Ansatz (Formel 3.1) wie folgt vereinfachen:
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Formel 3.2
Somit ermöglicht diese Annahme eine Aussage über die kinetischen Parameter der Gesamtreaktion anhand der kinetischen Parameter der Komponente A zu treffen.
3.6 Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung
Unter Voraussetzung, dass keine Nebenprodukte wehrend der Reaktion entstehen, kann folgende Annahme getroffen werden:
Die eingesetzten Edukte werden unter Berücksichtigung der Stöchiometrie zu 100% in das gewünschte Zielprodukt umgesetzt und somit die Selektivität gleich 1 ist.
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Formel 3.3
Die Formel 3.3 zeigt, dass bei der Umsatz ( ) und die Ausbeute ( ) gleich sind. Unter den Annahmen, dass Ausbeute 90% beträgt, ist der Umsatz der Edukte auch 90%.
Die vorher getroffenen Annahmen ermöglichen eine Aussage über die Endkonzentrationen und Mengen der Reaktionskomponenten zu treffen. In der Tabelle Tab. 3.1 sind die Mengen und Konzentrationen aller Reaktionskomponenten dargestellt.
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Tab. 3.1: Masse, Volumen, Stoffmenge und Konzentration der Reaktionskomponenten vor (i,0) und nach der Reaktion (i)
Die Ermittlung der Reaktionsgeschwindigkeit erfolgte nach folgender Formel:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 3.4
Dabei ist die Reaktionszeit, die benötigt wird um einen Umsatz der Komponente A von 90 % zu erreichen. Mit den Werten aus der Tabelle 1 und der Reaktionszeit von 10 min beträgt die Reaktionsgeschwindigkeit .
Die Berechnung der Geschwindigkeitskonstante erfolgt nach der Formel 3.5 und beträgt . Dafür wurde die Reaktion zweiter Ordnung angenommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 3.5
3.7 Bestimmung des Reaktorvolumens
Die Berechnung des Reaktorvolumens erfolgt nach Formel 3.6. Dabei ist die Verweilzeit der Reaktionskomponenten und Volumenstrom der Edukte und Lösungsmittel.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 3.6
Die Verweilzeit setzt sich aus der Reaktionszeit und der Rüstzeit und ist wie folgt definiert (Formel 3.7):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 3.7
Mit der Annahme der Rüstzeit beträgt die Verweilzeit 130 min.
Laut Aufgabenstellung werden 10 t/d 4-Methylacetanilid hergestellt. Aus den vorher ermittelten Daten lassen sich die Stoffmengen, Volumenströme und Massenströme der Edukte und Lösungsmittel ermitteln. Diese sind in der Tabelle Tab. 3.2 dargestellt.
Somit ergibt sich für einen Volumenstrom von und einen Sicherheitszuschlag von 20 % ein Reaktorvolumen von .
Damit die Produktion ohne längeren Stilstand für die Spülung, Befüllung und Entleerung des Reaktors verläuft, werden 2 Reaktoren mit je ca. 11 m³ Reaktorvolumen vorgesehen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 3.2: Stoffmengen-, Massen- und Volumenströme der Reaktionskomponenten
3.8 Auswertung des Laborversuchs
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.6: Reaktionsgleichung mit bildlicher Darstellung der Ausbeuteberechnung
3.9 Berechnung der theoretischen Ausbeute
Die theoretische Ausbeute bei einer vollständigen Umsetzung der Edukte wird über die molaren Massen der jeweiligen Einsatz- und Ausgangsstoffe berechnet. Hierzu wird mittels Dreisatz der theoretisch maximal mögliche Umsatz bei vollständiger Umsetzung der Ausgangsstoffe berechnet (siehe Formel 3.8)
p-Toluidin 4-Methylacetanilid
Stoff: A P
Molare Massen: 107,16g/mol 149,19g/mol
Massen 2,15g x g
Formel 3.8
Nach der Berechnung des Dreisatzes ergibt sich eine theoretische Ausbeute von 2,99g.
Die Reaktion läuft mit einer hohen Geschwindigkeit ab. Ein Umsatz von 90% (Annahme, ohne Laborversuch) stellte sich bereits nach den ersten 5 Minuten ein.11
Eine Bestimmung des genauen Umsetzungsverlaufs bzw. die Konzentrationsentwicklung während dieser kurzen Reaktionszeit kann nicht dargestellt werden, da zwischen Probennahme und Probenmessung aus organisatorischen Gründen eine zu große Zeitspanne, in der die Edukte weiterreagieren, liegt, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.
3.10 Upscaling
Im Anschluss an die Durchführung der Laborversuche würde in der Industrie ein Upscaling auf eine Pilotanlage im Technikum erfolgen. Dieser Schritt ist im Rahmen der Projektarbeit aus technischen Gründen derzeit nicht möglich.
Bei jedem Upscaling Prozess sind neue empirische Ermittlungen notwendig, da chemisch-physikalische Reaktionen nicht proportional hochgerechnet werden können. Durch die vorhergehenden Laborversuche werden jedoch umfangreiche Anhaltspunkte für den voraussichtlichen Reaktionsverlauf gesammelt.
4 Anlagenplanung
4.1 Allgemeine Anlagenaufnahme
Die neue Anlage zur Herstellung von 4-Methylacetanilid, wird im Chemiepark Marl aufgestellt. Bei der Planung der Anlage wird davon ausgegangen, dass die erforderliche Infrastruktur bereits vorhanden ist. Lediglich die Haustechnik, sowie die Energieversorgung soll bei der weiteren Auslegung berücksichtigt werden.12
Bei der Aufstellung und Planung der Anlage sind die Sicherheitsdatenblätter und die Erkenntnisse aus dem Laborversuch im Kapitel 3 und den Stoffdatentabellen, welche im Anhang der Arbeit zu finden sind, zu berücksichtigen. Zusätzlich müssen bei der Auslegung der Anlage die Stoffeigenschaften wie Toxizität, Umweltgefährdung und die Explosionsgefahr berücksichtigt werden.
4.2 Prozess- und Verfahrensbeschreibung
Das Toluol wird im Reaktionsbehälter vorgelegt. Mittels Zählradschleuse wird p-Toluidin hinzu dosiert. Der Reaktor wird auf 115°C aufgeheizt, um das p-Toluidin zu lösen. Sobald die Endtemperatur von 115°C erreicht wurde, erfolgt die langsame Zugabe von Acetanhydrid. Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, muss die Temperatur während der Zugabe beobachtet werden. Darüber hinaus kann es zu starker Schaumbildung im Reaktor kommen, daher ist die Überwachung des Füllstands ebenfalls erforderlich.
Nach einer Reaktionszeit von 5 Minuten wird das gelöste Produkt in den Zwischenbehälter mit Rühraufsatz gefahren und dort auf 20°C abgekühlt. Nach dem Abkühlen wird das Produkt über einen Bandfilter gefiltert und ein Großteil der Hexan Bestandteile mit Luft aus-“gewaschen“. Im Anschluss wird der Feuchtanteil des Produktes mittels Bandtrockner minimiert und in ein Lagersilo überführt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 4.1: Rüstzeiten pro Batch
Zusätzlich zur Rüstzeit werden pro Zyklus 10min für Instandhaltungs- und Revisionsarbeiten einkalkuliert. Unter Einbezug der eigentlichen Reaktionszeit von 10min, wird eine Zykluszeit von 130min angenommen. Die festgelegten Dosier-, Ablasszeiten sind für die genaue Berechnung der Gesamtanlage ausschlaggebend.
4.3 Hauptprozess
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.1: Anlagenübersicht
4.3.1 Dosierung und Reaktion
Der Anlagen-Mittelpunkt besteht aus zwei Batch-Reaktoren in denen sämtliche Eingangsstoffe siehe Abbildung Abb. 3.5, in der notwendigen Menge zusammengeführt werden, um die gewünschte Reaktion zu erhalten.
Die Edukte werden in verschiedenen Lagerbehältern zwischengelagert. Pumpen und Verdichter fördern die Einsatzstoffe in die Produktionsanlage. Eine angepasste Mess- und Regeltechnik ermöglicht eine genaue Dosierung der Edukte.
4.3.2 Feststoffdosierung
Die Feststoffdosierung erfolgt durch eine Druckluft-Förderanlage.
Das Toluidin wird über eine Zellradschleuse portionsweise vom Lagerbehälter in die Förderleitung. Während der Dosierung sorgt ein Druckluftgebläse (V102) für einen Luftstrom, der den Transport der Pulverpartikel durch das Leitungssystem gewährleistet. Ein Abscheidezyklon sorgt in der Abbildung (Abb. 4.2) für Abtrennung des Förderluftvolumens von den Feststoffpartikeln. In der Planungsanlage wird die Funktion des Zyklons durch den Einbau eines Partikelfilters in der Abgasleitung übernommen. Der Filter sorgt dafür, dass das Toluidin im Batchreaktor verbleibt und nicht ins Abgassystem gelangt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.2: Feststoffförderung13
Anders als in Abbildung Abb. 4.2 wird der Feststoff in der geplanten Anlage, in einen Batchreaktor gefördert.
4.3.3 Toluol Tank, Acetanhydrid Behälter, n-Hexan Behälter
Bei den Edukten weicht der Dosiervorgang des p-Toluidins aufgrund des Aggregatzustandes (fest) von den anderen (flüssig) ab. Aus den jeweiligen Vorlagebehältern führt eine feste Rohrleitung über eine Pumpe in die Batch-Reaktoren. Die Dosiermenge wird hierbei über einen Massendurchflussmesser (MDM) bestimmt. Bei Erreichen des Sollwertes wird das Zulaufventil automatisch geschlossen und die Pumpe schaltet ab.
Es ist zu beachten, dass es keiner Kreislaufleitung bzw. Wälzleitung der Vorlagebehälter bedarf, da beide Chemikalien sehr niedrige Gefrierpunkte aufweisen. Die Gefahr einer Auskristallisierung oder eine Polymerisation ist bei den Stoffen nicht vorhanden.
4.3.4 Reaktor
Die Reaktoren (R201 und R202) sind der wichtigste Anlagenteil. Hier werden die Edukte in das gewünschte Produkt und Nebenkomponenten umgewandelt. Die korrekten Dosiermengen, die Einhaltung der vorgegebenen Temperaturen und Haltezeiten sowie die Gewährleistung einer guten Homogenisierung durch den Rührer sind ausschlaggebend für den erwünschten Umsatz.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.3: Detailskizze des Reaktors
[...]
1 SciFinder
2 P. W. Atkins and J. de Paula, Physikalische Chemie. Wiley-VCH, 2013.
3 A. T. Kreipl, “CVT I: Kinetik,” Bochum
4 M. Baerns, A. Behr, A. Brehm, J. Gmehling, H. Hofmann, U. Onken, and A. Renken, Technische Chemie. Weinheim: Wiley-VCH, 2006
5 M. Baerns, A. Behr, A. Brehm, J. Gmehling, H. Hofmann, U. Onken, and A. Renken, Technische Chemie. Weinheim: Wiley-VCH, 2006
6 Eigenes Foto aus dem Labor der THGA Bochum
7 Eigenes Foto aus dem Labor der THGA Bochum
8 Bachelorarbeit „Herstellung von 4-Methylacetanilig im Batch Reaktor – Auslegung eines Praktikumsversuchs“ von Teresa Herick gen. Beumer
9 https://www.spektrum.de/lexikon/physik/gaschromatographie/5544
10 Eigene Darstellung aus Ausdruck der Messergebnisse
11 Bachelorarbeit „Herstellung von 4-Methylacetanilig im Batch Reaktor – Auslegung eines Praktikumsversuchs“ von Teresa Herick gen. Beumer
12 Planung einer verfahrenstechnischen Anlage – Copyright by Prof. Dr. Kreipl, Vervielfältigung nur neben der Vorlesung gestattet.
13 Ignatowitz: „Chemietechnik“, Europa-Verlag, 8.Auflage 2007
- Quote paper
- Arne Von Berswordt (Author), 2018, Herstellung von 4-Methylacetanilid. Planung einer Anlage zur Herstellung von 4-Methyl Acetanilid aus p-Toluidin, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1271798
