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
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
Zielsetzung & Themen
Diese Projektarbeit befasst sich mit der Konzeption und verfahrenstechnischen Auslegung einer Produktionsanlage zur Herstellung von 4-Methylacetanilid aus p-Toluidin. Das Ziel ist es, auf Basis einer Laborversuchsreihe und kinetischer Berechnungen eine vollständige Anlagenplanung inklusive Kostenkalkulation und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zu entwickeln, um als Grundlage für eine Investitionsentscheidung zu dienen.
- Verfahrenstechnische Versuchsplanung und Durchführung im Labormaßstab
- Kinetische Auswertung der chemischen Reaktion zur Reaktor-Dimensionierung
- Detaillierte Anlagenplanung unter Berücksichtigung von Sicherheits- und Rechtsnormen
- Kosten- und Amortisationsrechnung für den kontinuierlichen industriellen Betrieb
- Spezifikation der Anlagentechnik (Reaktoren, Dosierung, Filtration, Trocknung)
Auszug aus dem Buch
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).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung: Definition der Zielvorgaben für die Anlagenplanung zur Herstellung von 4-Methylacetanilid basierend auf Literatur- und Patentrecherchen.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der chemischen Basisreaktion, der kinetischen Parameter und der Methoden zur deren Bestimmung.
3 Versuchsdurchführung im Labormaßstab: Dokumentation des experimentellen Aufbaus, der Durchführung des Versuchs zur Mengenberechnung und der angewendeten Analytik.
4 Anlagenplanung: Umfassende Beschreibung der verfahrenstechnischen Anlagenteile, der räumlichen Aufstellung, der Messtechnik sowie der geltenden Sicherheitsrichtlinien.
5 Kalkulation & Kostenrechnung: Detaillierte Darstellung der Aufbaukosten, laufenden Betriebskosten und die Ermittlung des Break-even-Points für eine wirtschaftliche Produktion.
6 Fazit: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Ergebnisse bezüglich der Anlagenauslegung und der wirtschaftlichen Umsetzbarkeit des Projekts.
Schlüsselwörter
4-Methylacetanilid, p-Toluidin, Acetanhydrid, Toluol, Reaktionskinetik, Batch-Reaktor, Anlagenplanung, Verfahrenstechnik, Gaschromatographie, Differenzkalorimetrie, Anlagensicherheit, Wirtschaftlichkeitsrechnung, Amortisation, Explosionsschutz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Konzeption einer industriellen Produktionsanlage zur Herstellung der Chemikalie 4-Methylacetanilid.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Themen umfassen die verfahrenstechnische Versuchsplanung, die kinetische Datenerhebung, die großtechnische Anlagenplanung und die betriebswirtschaftliche Rentabilitätsrechnung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Erstellung einer Entscheidungsgrundlage für eine fiktive Firma, ob der Bau einer entsprechenden Produktionsanlage technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Kombination aus präparativen Laborversuchen zur kinetischen Analyse und computergestützter Anlagenplanung sowie rechnerischen Methoden zur Kostenkalkulation.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Versuchsführung im Labormaßstab, die Dimensionierung der Apparate, die räumliche Auslegung unter Sicherheitsaspekten und die detaillierte Kosten-Nutzen-Rechnung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind 4-Methylacetanilid, Reaktionskinetik, Batch-Reaktor, Anlagenplanung, Kostenrechnung und Amortisation.
Warum wurde eine Gaschromatographie als Analytik gewählt?
Die GC dient dazu, die Reinheit des Produkts sowie den Umsetzungsgrad der Edukte nach der Reaktion exakt zu bestimmen.
Wie wurde die benötigte Reaktorgröße bestimmt?
Das Volumen wurde basierend auf der berechneten Verweilzeit, dem jährlichen Produktausstoß von 10 Tonnen pro Tag und einem Sicherheitszuschlag von 20 Prozent ermittelt.
Warum ist eine Begleitheizung für die Reaktoren notwendig?
Die Beheizung stellt sicher, dass die für die Reaktion erforderliche Temperatur von 115 Grad Celsius konstant gehalten wird, um Nebenreaktionen oder eine vorzeitige Auskristallisation zu vermeiden.
- 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.grin.com/document/1271798
