Folyamatábra és anyagforgalmi diagram készítése Egy szintézis kivitelezése átgondolt tervezést igényel, ezen kívül a megvalósítás számszerű adatokkal alátámasztott kontrollja is elengedhetetlen. Az előbbi célt szolgálják a folyamatábrák, az utóbbit pedig az anyagforgalmi diagramok. A folyamatábrán a reakció kivitelezésének műveleti egységeit ábrázoljuk és kötjük össze a kiindulási anyagok, oldószerek és a keletkezett termékek fizikai és kémiai tulajdonságainak ismeretében. A cél az, hogy mindegyik műveleti helyen lokalizáljuk a szereplő anyagokat avégett, hogy a terméket izolálni tudjuk és minél kisebb környezetszennyezést idézzünk elő. Ismerni kell az anyagok oldhatóságát a technológiában előforduló oldószerekben, az oldatok sűrűségét (melyik a felső fázis, melyik fázisban van a termék), elegyíthetőségét (mit mivel szabad extrahálni), a vegyületek illékonyságát (légszennyezés) stb. Példaként a fenil-benzoát gyártását mutatjuk be (reakcióegyenletet lásd alább, az anyagforgalmi diagramnál). A kiindulási anyagok, a termék és a melléktermék sokkal jobban oldódnak az oldószerként használt toluolban, mint vízben, míg a társtermékként keletkező trietilamin-hidroklorid (trietil-ammónium-klorid, TEA.HCl) vízben oldható jobban. A toluolos oldat sűrűsége kisebb a víz sűrűségénél. A termék (fenil-benzoát) a toluolhoz képest nem illékony, vízben gyakorlatilag nem oldódik, etanolból átkristályosítható. A műveleti blokkokat egy-egy téglalapban nevesítettük az ábrán. A műveleti egységbe újonnan belépő anyagok bal oldalon lettek feltüntetve, a következő műveleti egységbe lépő anyagok a függőleges nyíl mellett bal oldalon szerepelnek, míg a technológiát végleg elhagyó anyagok a jobb oldalon találhatók. Amennyiben egy művelet során egy anyag 2 hely között megoszlik, a kevesebb mennyiséget zárójelbe tesszük (ez becsülhető a tulajdonságok ismeretében).
Fenilbenzoát folyamatábra
Toluol Trietilamin Benzoil-klorid Fenol
Reakcióelegy
Észteresítés Fenilbenzoát Toluol TEA.HCl Trietilamin Melléktermék Fenol Víz
Felső fázis 1
Extrakció 1 Alsó fázis 1, fenolmentesítésre
Fenilbenzoát Toluol (TEA.HCl) Trietilamin Melléktermék (Víz) Fenol Víz
Víz TEA.HCl (Trietilamin) (Melléktermék) (Toluol) (Fenol) Extrakció 2 Alsó fázis 2, fenolmentesítésre
Felső fázis 2
Fenilbenzoát Toluol Trietilamin Melléktermék (Víz) Fenol
Víz TEA.HCl (Trietilamin) (Melléktermék) (Toluol) (Fenol)
Bepárlás
Toluol, regenerálandó: Toluol Trietilamin Fenol Víz
Fenilbenzoát Bepárlási maradék Toluol Melléktermék
Etanol
Toluolgőz, levegőbe (Trietilamingőz), levegőbe
Átkristályosítás
Szuszpenzió, hűtött
Fenilbenzoát kristályos Melléktermék oldott Toluol Etanol
Etanol
Centrifugálás, mosás Anyalúg, etanol regenerálásra
Fuganedves termék
Fenilbenzoát Etanol
Melléktermék, oldott Toluol Etanol Szárítás Etanolgőz, levegőbe Fenilbenzoát
Anyagforgalmi diagram szerkesztése 1. lépés: reakcióegyenlet felírása az anyagmegmaradás törvényének figyelembe vételével. A reakciónyíl mindkét végén összesen ugyanakkora anyagmennyiségnek kell szerepelni (ez az alábbi példában 1 mólos méret esetén 335,87g). O
Cl O
H
+
+ Benzoil-klorid M: 140,57 Fenilbenzoátba: 105,12 TEA.HCl-ba: 35,45 O
O Fenilbenzoát M: 198,22 (105,12 + 93,10)
Fenol
M: 94,11 Fenilbenzoátba: 93,10 TEA.HCl-ba: 1,01
(C2H5)3N Trietilamin M: 101,19 TEA.HCl-ba: 101,19
Toluol
+
(C2H5)3NHCl
Trietilamin-hidroklorid M: 137,65 (35,45 + 1,01 + 101,19)
2. lépés: reakcióegyenlet felírása a gyártásból kinyerhető mennyiségű végtermékre. Ismerve a kiindulási anyagok mennyiségét, az ezekből nem a kinyerhető termékbe kerülő és maradék kiindulási anyagként sem azonosítható mennyiségeket a melléktermékbe tesszük. (A melléktermék összes tömege egyébként megismerhető, mérhető mennyiség.) A termékbe kerülő rész számításának módját a fenti színes ábra mutatja. 3. lépés: összeállítjuk a reakció teljes anyagmérlegét. Ha egy technológiában több reakció szerepel, ezt minden reakciónál külön-külön meg kell tenni. Figyelembe vesszük a mérhető adatokat és beiktatjuk a diagramba.
Kiindulási anyagok 660,00 kg 240,00 kg 280,00 kg 182,43 kg 200,00 kg 161,57 kg
Reakcióelegy Toluol Trietil- Fenol amin 660,00 kg 225,61 kg 10,00 kg 61,52 kg 1,75 kg 6,00 kg
4,39 kg 36,05 kg 30,68 kg
1380,00 kg 344,00 kg
288,88 kg 660,00 kg 10,00 kg 6,00 kg
71,12 kg
Fenilbenzoát Toluol Trietilamin Benzoil-klorid Fenol
TEA.HCl
Melléktermék
4. lépés: a számszerű adatokat beillesztjük a folyamatábrába. Egy adott műveleti blokkba bemenő és az onnan eltávozó anyagok összes tömegének meg kell egyezni (anyagmegmaradás törvénye). Nem elfelejtendő, hogy számunkra csak az termék, ami kinyerhető, a valóságban ennél több keletkezik: a nem kinyerhető részt már az elején a melléktermékbe tettük, így az anyagforgalmi diagram termékizolálási lépésében úgy tűnik, mintha a keletkezett terméket 100%-ban izoláltuk volna: ez nem így van, csak az egyszerűsítő feltevésünk következménye. Természetesen lehet az említett egyszerűsítés nélkül is anyagforgalmi diagramot szerkeszteni, ilyenkor termékként nevesítjük a hulladékba kerülő anyag egy részét, ez viszont nem szokott tetszeni a menedzsereknek és bonyolítja is a diagramot, tehát nem praktikus.
Fenilbenzoát anyagforgalmi diagram
Toluol 660,00 kg Trietilamin 240,00 kg Észteresítés Benzoil-klorid 280,00 kg Fenol 200,00 kg Fenilbenzoát 344,00 kg Toluol 660,00 kg TEA.HCl 288,88 kg Reakcióelegy Trietilamin 10,00 kg Melléktermék 71,12 kg Fenol 6,00 kg Víz 1000,00 kg
Felső fázis 1
Extrakció 1 Alsó fázis 1, fenolmentesítésre
Fenilbenzoát 344,00 kg Toluol 650,00 kg TEA.HCl 12,00 kg Trietilamin 9,00 kg Melléktermék 66,00 kg Víz 20,00 kg Fenol 5,00 kg
Víz 1000,00 kg
Víz 980,00 kg TEA.HCl 276,88 kg Trietilamin 1,00 kg Melléktermék 5,12 kg Toluol 10,00 kg Fenol 1,00 kg Extrakció 2 Alsó fázis 2, fenolmentesítésre
Felső fázis 2
Fenilbenzoát 344,00 kg Toluol 640,00 kg Trietilamin 8,00 kg Melléktermék 60,00 kg Víz 20,00 kg Fenol 4,00 kg
Víz 1000,00 kg TEA.HCl 12,00 kg Trietilamin 1,00 kg Melléktermék 6,00 kg Toluol 10,00 kg Fenol 1,00 kg
Bepárlás
Fenilbenzoát 344,00 kg Bepárlási maradék Toluol 20,00 kg Melléktermék 60,00 kg
Etanol 450,00 kg
Átkristályosítás
Toluolgőz, levegőbe 30,00 kg Trietilamingőz, levegőbe 2,00 kg Toluol, regenerálandó: Toluol 590,00 kg Trietilamin 6,00 kg Fenol 4,00 kg Víz 20,00 kg
Szuszpenzió, hűtött
Fenilbenzoát kristályos 344,00 kg Melléktermék oldott 60,00 kg Toluol 20,00 kg Etanol 450,00 kg
Etanol 50,00 kg
Centrifugálás, mosás Anyalúg, etanol regenerálásra
Fuganedves termék
Fenilbenzoát 344,00 kg Etanol 50,00 kg
Melléktermék, oldott 60,00 kg Toluol 20,00 kg Etanol 450,00 kg
Szárítás Etanolgőz, levegőbe 50,00 kg
Fenilbenzoát 344,00 kg
