Bereiding van witte phosphor: Verslag behorende bij het eerste gedeelte van het fabrieksschema voor de bereiding van rode phosphor

r - - - < - - - o - - - -- -- - - - . - -._--:ij :5: 1\

:s

1 D I N G \I I T T E p j{ ü S F H O R V ::::' R S L ! .. G behorende bjJ het eerste geàeelte van het fabrieksscher.12

voor de J3 1.;-0 _R "r,; I D I Ir G V ~ _N -" .ICJ i • R 0 D T' _{P H 0 S P ~{ 0 R} --' door L I K 0 R 'l' '·:1 ~: i 2 G •

.

.

- - - -- - -- - - -- - - . , J,~ient 585 den He.ng.

. - - - -

-_._---...

.

"

-1-Inhoud . Inleidine·

~'ogclDke proces~en en de keu~e daaruit. Eet hoogovenproces .

TIe productiecapaciteit. De stof'balélns .

De appo.ra tuur.

l,i tern tuur.

--~---

-~-•

-2-InleidinL •

...

_--_

....

_---In het algeneen bestaat de bereiding van rode phosphor uit

2 otrappen, nl~ .. ' "

1 : de omzettIng van natuurl~k phoephaat In wItte phoephor,

2°: de omzetting van witte phozphor i~ rede.

I n (ie OT':'.pt VQfl net 0n"t',:erl) is door ons deze scheidinp.,

e;emaakt. IIet onderl1avige verslag behelst de omzetting-van

n~ltu1Jrlljk ph~.'S1)h1..'J.t ill ',vitte !)ho~l)~or. Unze partner, F.H.van l~nster, zal een ontwerp voor de tweede trap

indienen.

Fogel ~:-ke 'oroc es s en en de keuz e daarui t .

------_ ...

_--

...

_

... _ ... _ .. _----------

---De vrjjmaking van phos)hor ui t n~l t uurl ijk phosphaa t is mogelijk

doordat bij hoge te~peratuur, nl . minsteDs 13000C,(lit. 6

en 12) het céllciumph']8):1:lut è i~'eociëert

en het phosphorpentoxyà e door kool s tof gereduceerd vv'ord ~ tot elementai!' phoerhor

P2 0 5 + 5 C~P2+ 5eo

Dit phosphor verdwUnt met het andere gas uit de reactie-ruü1te, de oven, en condenseert jJ(.)O(it door afkoeling

van de gezacenljjke gassen tot phosphor in de witte m odi-f icatie. Veor de condensatie wordt het gas gezuiverd van

vliegstof. De reet van het geet~ente wordt als slak afc

e-ta pt .

Er bestaan nu voor deze thermische reductie in feite 2

processen (lit. 14). ~et ene werkt met eEn electrische

oven (lit. 1,3 en 9), het andere met een hoogoven (lit.

2, 4 en 12).

BU het eerste wordt ~hosphcat en cakes Cebracht in een platte ronde oven, waarin door het dak heen 2 of 3 kool-stofelectroden steken. Deze VJrmen Det de cokesvulling een weerstandsketen, voldoende om de vereiste temperatuur te bereiken. De openingen voor de electroden worden af~

gedicht met s tiks tof onder geringe overdruk. Het Qntw~­

kende gas bevat ca . J2% van de oorepronkfl~k aanwezige

phosphor en besta ;t ten naaste b,- uit 15;;; l)q , 74/; CO en 11% N₂• Door 2 electr ische gasrrinigers in ~erie wordt

het gas gereinigd van stofdeeltjes en dan wordt het in een

aan ta 1 cond ene ors a fgekoe ld, w.':"tE.1.rb ij de phosphor c ond ena eert door er vmter in te sproeien. De phosphor is redel~k

zui-ver, soms Viel tot ?9, 5it (lit.l). De gesmolten slak wordt

uit de oven afgetapt, evenal s ferrophosphor, dat in ge -r inrre hoeveelheden ontstaat. De totale opbrengst is ca.

90%.

}iet hoogovenproces stemt in principe ~et het vorige

over-een.Phoenhaatgesteente en cokes wQrden bovenin een schacht-oven gebracht, woar onderin vJorverhitte lucht wordt g e-blazen onder 0, 77 1,4 atm. overdruk.De oveh en de wind-verhitters z~n van gelUke conetructie ale in de metaal

-industrie. De ovengassen bevatten ongeveer 88% van de aanwezige phosphor, maar bestar:',n DU uit 2% P2' 37%

co

en 57% l'T₂, alsmede een gerinGe hoeveelheid ::0<) ~afkometig van calcinering) en _H2 (uit reductie van wc!ter;. Het ga

»

•

-3-oven, zodat de stofafschpidinG intensiever moet z~n. Een vindt i ier voor de Cottrell een of meer cyclonen.

De gassen, d ie ui t à e eond I'ns are .Lomen, dienen ten dele

voor het nanjngen van de v;indverhi tters.

Cok b~ het hoogovenproces tnpt men uit de oven slak en ferrophosphor. :)e totale Ol)brengst is 86%.

De verschillen tussen beide proces2en zÜn gering. Het

schijnt, dat voor de hoogoven het gesteente niet minder dan

11% P = 25% P

20 5 mag bevéttten, UrVli~l in de electrische oven ~og wel afmere grondstof verwerkt kan worden (lit.1).

De verdere verschillen lieeen ~p economisch terrein. Vol-gens e en bereken inb van ',iar;gaman (1 i t .14) is de pr}jsver-houding tussen eleetrieche energie en cokes de beslissende factor, naast de inve2teringen.

Hoewel de berekeninc van '.;;a2'[;")I]:'n o.gesteld is voor de V.S. en met pr~izen van 1948, \.i11en "'(0 t (:r ve:cgelij.king toch

enkele c}jfers noemen, die ons tot een bes~issing hebben gebracht. Eij ':!aggél.man vinden we de volgenden:

"!i:lectrisch 2 ovens ::loogoven loven Capaciteit 15000 t. per Investering ~"~3,4 J'1111. ~roductiejaar van 330 dagen " ." 5 (" '1' JAN/! Per ton gewonnen phosphor:

7

I

Phosphaat ~53,85/9J88 t.

Cokes 9,10/1,40 t. I . Energie ;y± J ûC/13bOO k.:l!

/'~

v. d. leo

:èKt

&'.

7'

_

/"

-pr\js u3, 4~~ " J ) :rn.l_,.-:.L.~ _ .. _ frf r f/ r--. .. ~ .. ö1, 97/11,37 "'t • 40,80/ 5,44 t .

11/(J

~ll

:;:,164,21

Hier is dus het electrische proces goedLoper de.n het

hoogovenpreces. Voor een beslissing omtrent een bedr~f in

:~ederLand moeten we er mee rekenen, dat in het boven-stélémde de electrische ener[ie -4' ~?ct. per k..-lh kost en de cokes .. ,7, 50 per ton. Hier in het land kost electriciteit

voor een bedr~f met de beJogde capaciteit ongeveer 4,25

ct. per k';i'h. ;_~igen opY!ekkin[.~ eeeft een lagere k olenclau-aule , maar een hogere afschrijving, àus komt ten naaste b}j op hetzelfde bedrag. Grove metR~lurgische cokes kost dit

jaar f61,50 per ton. De invoerprijs van ruw phosphaat is de laat~te jaren sterk Bestegen en bedroeg begin 1952 f70= per ton. Volgen vie nu de berekening van ',/aggaman met

de genoemde ·)r~,:zen, dcm vindtm Vle:

~:'l eet ris eh Hoogoven

Capaciteit 2000 ton per jaar

Phosphaat f 694= f79G=

Cokes _f 86= " ·:535=

Energie /553=

Totaal -p _{13;~3= f 1133=}

J

Aannemende, dat deze bedragen hetzelfde percentage van de

kos tpr~s uitmaken als in de berekening van r:laegawun, is

die kostprijs /'2020= voor het electrische proces en f1800= voor het hoogovenprocee.Deze koetpr js zou het dan op

kunnen nemen tegen de importpr~s van begin 1952 ~ijnde

f4000= per ton.

De bovens taande cijfers zijn ven'e V~ln né::uv:keurig J maar

' .

•

•

•

-4-litatief vallen ze ten gunste van het hoogovenproces uit.

Hieruit hebben wU besloten vaor het volgende ontwerp het

~hOOgOVenproces te volgen.

Het hoogovenprocee.

Al vorens de opzet van de fabriek te bespreken, zullen we aan de hand van de - vrU beperkte- publicaties enkele

opmerl~inecn r.1aken.

Het phosphaatgesteente raag voor de ti.lermiscl1e reductie niet te nat z~n, evenmin trouwens alB de cokes . Een wate r-gehalte van 4% is toelaatbaar, zodat het ~hosphoriet te

gebruiken is zoals het V2n de mijn komt (2~-4% water) ,mits

Den maatreGelen neemt voor beschutte opslag.

~r i2 voor de grondstoffen een optirn..:;..le grootte in verband

met de stapeling in de schacht en de daarmee samenhangende warmteoverdracht en drukval. De gemidàelde diameter moet enkele ems . zUn (12).

De soms toegepaste voorbewerkingen van het l)hosphoriet,

zoals concentrer 2n door flotatie, defluoreren en harden door sinteren kunnen ook wel 8chterwege blUven, aangezien de kosten ervan hoog zUn in verhouding tot de prUs van het

ge~teente en ~et effect gering 19.(12 en 13)

Voor een goede vloeibaarheid van de slak is een bepanlde verhoud ing nod i~ tus s cn C[10:- l'CO e~ .. 8i02 + A1₂₀₃, die echter tussen wlJde grenzen lean varleren. Soms zlJn de

bestanddelen in de goede verhoudinB Bs.nwezig in het na-tuurlijk pho:o:phaat, zo niet dan noet :ûen l::warts of zandsteen ( hoog;~ SiO ) Vjme:lgen (1,9 en 12).

:Sen voorbee!d van een phosphaa t ve1'\ierkbaar zonder extra silicaat is :

25_Ij ,,1 P 2 ° _5' 26_'t') ("1 S· ° ₁ 2' 2_l~ '1. "'."I 2 ° _3' 37_id V COa ,vr, r d er (IJ 10 2' F,"-J,g

°

,~h.2 T

°

enz.

Een ander phosph:.a t bevé~ t :

3'~;~ P205' 4;:~ 81°2' 1~~ J,1203' 48;0: CaO, enz. Hi eras.n "'1ord t 50;1,

rivierzandsteen toegevoegd.(9a en 12).

';,'a t de ho ogoven betreft, k:m opgemerkt word en, da t vers chil-lende onderzoekers zich heül;en beziggehouden met de warm -tebalans daarvan (5,11 en 12). EZ1)erimentele berekenin~~en

vertonen afwUkin~cn van 15 tot20~ tussen warmtelevering

en -opname. De bc trekl:ing tue G en afme tingen en capac i te i t

~=omt ne r; ens ter sprake.

De reactiesnelheid va~ de dieeoci3tie en de reductie is vr~ groot. In een buis met dienster = 1 cm verliep de

r8-actie volledig in 1 uur b( 1350 C en in 10 min. bU 1500 C.

(lit

8)

.

hlen dient er voor te zorgeil, dat de gassen uit de oven niet

aflwe 1 en bened en he t 11 cLuw:mn til V8.n lJhosphor vóór ze in de

condensore komen. Uit de gaevolumina (zie later) is te

be-rekenen, dot de parttoaldruk van de phosphor ongeveer 1/70 is van de totale druk, dus LJ de stofafscheisers 11-11 ;Y:JIl Hg-druk, wanrbij de cond ens8. tietemp. 128--135 C is. (10)

Aan de andere J,_ant scn.ijnt volledige condens::?tie van de

)hosphor in een enkele eproeitoren niet wel mOLelijk te zijn, een natte Cottrell d~arachter bleek o~ontbeerl~k (12) .

Het :.:I08-ralJport over de falu'iek in ~. iesteritz (1) geeft een condensor van bUaondere constuctie ; over mo eilUk-heden bU de condensatie wordt niet gesproken, wel wordt

gezegd, dat de watersproeier in de afvoerleiding uit de laatste condensor niet werd bebruikt weLens het geringe nut.

\.

- - - -

_.

_

---

-5-phosphor, teveel or.: het water zoneier lüeer te }:U1Hlen lozen.

Om deze red en word t in (; e afvo er perman[;uno.a t of chloorgas

toegevoegd (1), \:aardoor plwsphor- en phosphorigzuur ont

-sto.nn. Voegt men tevens kalk toe, dan wordén deze stoffen en ook de aanwezige eilicofluoriden neergeslagen.

De productiecapaciteit.

~~-~~~~~~-;~~-~~~-;~~~~ek

te ontYlerpe4 n :-Tederland en

aan-ge~Det aan de b~nnenlandse behoefte aan rode phosphor.

Deze behoefte 1l eek uiter!~te gering, nl . 41 ton in 1950,

19 ton in 1051 en 4 ton in de eerste helft van 1952. Voor deze hoeveelheden is geen aannemelijke fabriek te maken.

VrU willekeurig werd nu de capaciteit bepaald op 2000 ton

pel' jaar.

In vercelijkinr ': met phosphorfabrieken in de V.S. en die in

Duitsland~(l en 7) is deze xa~axiIit% capaciteit nog klein,

maar dat vindt z~n reden in het feit, dat al deze bedrijven witte phosphor maken voor de productie van phosphorzuur.

Voor de berekende hoeveelheden Grondstoffen en voor de be·

rskening van de nppara ten werd r:[\ngenomen,

10 dat het phosphantgesteente 11/~ P2 bevat en

2 een mengverhouding van etEen en cokes, zoals diE door

1,'Tagg8.rnan (14) als gemiddelde is opgegeven.

In de andere publicaties vormt deze mengverhouding juist

het punt V2n onderzoek, zodat daarop geen peil is te

trekken.

Aangezien het aan de opzet ven het fc,brie}csscheI,'k"', niets

vr--ro'ndert, zullen wij in het veruere verslag voorbijgaan

aaD extra to~gevoegd silicnat.

Een productie van 2000 ton per jaar bU 330 productiedagen

van 24 hr. betekent 6,06 ton per dag, 252 kg per hr. of 70 g per sec.

Hiervoor zljn nodig 21200 ton phosphoriet en 10100 ton

cokes p. r jaar (ongerekend de hoeveelheden, die als te fljn

worden uitgezeefd) of 738 res~. 354 g per sec.

In ;: e oven on ts taa t per sec. 81 G phosphor, WGarvan 10 g

(12%) in dE slak gebonden worJt en 71 g als damp verdwijnt.

Hieruit 'wordt dan door condensatie 70 g 'fiitte phosphor

v~:rkregen •

De gasvolumina zUn u_t de reactie te berekenen, als we

ontstaan van C0_{2 en} 112 in de hoogoven ver,,;,aarlozen. Daar

:9hoSp1_{1Or zeer ce;.,a:~i'el'Jl: ceoxydeerd wordt, werken we met}

de theoretif~che hoevef;;lheid verbr;,mdingelucht.

Per sec. worcJt 1,2:) mW 'Wind (volume bjj ooe 3n 1 atm.) in

de oven ceblazen en uit de oven komt 1,70 m g:,'s bev8,ttende

l , 5~~r P2(!) 39% CO en verder :'? ~e wind heEf~ eCD~ temp. van

ca.800 9 en een druk V3.n c,~. 2 O,tO,. , het sas vc..tn resp.

4000_{C en 1; ata . In ~e condensors ~ordt ph~sphor verwijderO}

en er ontwÛkt 1,70 n° gas V2n 300e en 1 ata. , waarin 39%

• koolmonoxyde. ,;oa18 \ie later ~:ullen berel:enen, is bjjna al

dit gas nodiG voar de windv! rhitters.

De apparatuur.

De grondstoffen worden aangevoerd per schip of per rail en b~ voorkeur overdekt opgeslagen.

De toevoer naar het bedrijf wordt ru\~eg Daar volumen g

•

-/

-6-Gesteente en cokes \lorden afzonder13<: en na cUm.:\}' in een

walsbreker zodani[ gebro]:en , d~t de semiddelde di.:J,I:1cter 1,5 - 4 cn. is. In een roterende tanuu,l:=eei' wordt eer~t

',let f"','ne materia,ü en daarna :let nctl;rü, .. l j',:et de juiste afmetinGEn uitsezccfd , ter .~l het grove overloopt en naar de breker ':lOrdt terugcebracht. ;Iet f'jne r;,nteriaal v:ordt

uit de prouuctiegang ;e1101-::en. ':~11 de hoeveel:lt~dej] groot ;

dan ~:an de steen tot §:-rc;te stu ken ~,:('sinterd en opnieuw

verv.Tel'~\ t '.:ord en.

?tee:l en coj~ s worden né1:-,}:' af:',ondeJ:'lijlce bunl:ers o'e;ev')erd

(er is er elechte 'één eetelcend) . Het is de bedoel ing, dat

de brel:er en de zee f 81 echts 8 uur per Cr,g v/erken; hun

cL:po.citeit is d;:larop berekend . 2en gedeelte van die IJ uur

wordt er phosphoriet gebroken en na3r de ene ~un]~er cevJerd,

de rest van de tUd ~ordt cokes (en eventueel zandsteen)

gebroken, dat dan in de cll"lclere b,m;:er terecht kor:,t door

het om:-:etten van een t~2ir;;eL,lep. Verd r Ïi:, het bedr:'jf ui ter

-aard continu. De bunkers zUn btre~end voor de opslag van

een dagproductie.

Cnde:>:> de bunke'3s door r 'Jdt over rails een ',.'e bka!,lr r(.~t een

inhDud vee:] 1::11 en een VJEcgvcrmügen van

J

ton. Deze KaéJ.r

v!ordt achtereenvolGeJ.ls onder de beide blLers gereden, de

Grondstoff~n worden er in de juiste verhoudingen in

afge-wOGen en daarna wordt de 1:0.0.1' geleegd boven ec:'; trcJ.Ds:p

ort-karretje, dat de materialen lanes een sC!1Uine ba~ln naar de

top van de hJogoven brenGt. ~~ Je cetekende afmetingen

zou het karretje ongeveer eens in de 7 min. naar boven

moeten.

"~Je a fr;-.c tingen V8.n de ho o~oven zijn o.8ngenomen in proport ie

tot de andere apparaten, ~an~ezien hierover [ een gegevens

cevoncen Vierden. ':ie :lebben getracht de inhoud van de schacht

te ~erekenen uit de warmteuitwieseling tussen de

opstU-gende [2..seen en de af(h'lende vaste sto::.', l11L-lar dit l eidde

niet tot een aanneDel~k r lsultaat.

' ) , e 1., _{u 0} uw ₁ • _f:J, z _O~',.. lq e 1'>,>,,' _{\, -'- U "} or oD"e""rkt _{_ U !.L ,} ne t nIs _; n de me bal

in-cl W' t:i' ie.

~it de oven worden de sassen verdeeld over 4 cyclonen,

wc: rin de gassnelheid tot 3 m per sec. wordt teruggebracht.

Vervoleens i8.o.D ze door een electrische grtsreinicer, in-gericht met ~etten en draden, ~et een ~nelheid van 0, 5 D pe2~ sec. en een conto.ctt',;d Vi:ln 1(: sec •• Er zijn twee van

deze appsraten, die om beurten in ledr~f z~n.

Door de lengte en de isolering V2n de leidingen moet men

er voor zorgen , dat de Gossen v66r de condensors niet a

f-}~oelen oenecJen U',;'ztrecks 150°C.

Om de phosphoT neer te 2la~,~,n vlordt het gas door 3 condensors

in eerie gevoerd, die Gecon':trueerd z~n volgens het

aange-haalde bI02-rQpport

(1)

.

~e bestaan uit een hori, ontale cylinder, die naar beneden

verlengd is en via ee~ halsvormig stuk overgaat in een ronde

pan. In het verlengde deel van de cylinder bevinden zich

2 assen, waarop sch~ven zJn canGebracht met radiale groeven.

In de condensors nord t door een cel.eenScf12ppeLjke overloop de waterstand zo Leret:~eld, dat ûe schijven Gedeeltel:jlc onder

water X:tXME zedCl~ll)e::,d z'~n. De ,-"ssen draaien tegenGesteld

net 450 OILwenteliDgen per min. en op die rr~nier ontstaat

een besproeiing VQn het gas, wJ2rdoor afkaeling en co

nden-sutie bewerkstelliGd worden.

Aanvoer van vers 'water 1,'crdt vc:r':~recell , doordat de aepa~ckingen

z;n,ui~geru8t Bet ecn lek~en~ lantaarnslot. ~ovendien ver-L:elc.lt llet :8rOS-r'::,:y,ort, d:-.t .:let water in de condenr'ors nog ,lerd rondgerJoi':11Jt. et nut hiervan 1~~~_~,~~e~end hebrlen Vlij

' .

..

•

-7-d'<lrv:?n :,f=:e~ icn.

Ten overvloede wo~dt er noe Gekoeld d~or ~uter over de top

vaG de condensors t e lntfD vloe ien.

~lË bom'J:.::~.t\ri'::-,l v')or de condEnEO}':;: ,;OI'Ut .J.lULiniuLi,;rO;J2

""']'-c"'even ,,] "'c"":Y1t 00'" " 1 'et ~'êr br"l"'l" r

, .. u ! t,. ó . , u . . ~ ,~~~I.. , l. ,';' ... / C . ' , ~ . . ' . . , "

De l"~'llde \'·erzw'el})'.'.D:len, ale v~)n [let)Jzer ,.e!r1aaj~t z~:n,

hebben een staorumlntel ,w~.3rDee in de eerste twee p~nnen

de tfY:~p. op C8.. 600C gei10uàen '"cI'àt. :)e p!.10:::phor lJlljft

vloeiba[u Ol; de boc.Jem (s.c. 1,'7) en ~C'n m;.~.r de Ol)slagtnnk

','forden nfcevoerd. In de d~;rde conden:.:or.,Ë-s het vlater koud

orl de condens'.tir' vol1el1ig te ) .:J::::en. Cp Gerecelde tijden

\;ordt het oP5evJan',d om de phospl'lor ['.f te tappen.

De opelr.['tanL i2 ::otec:dB cehee~~ :ev;.'·ld E:et llhosphor en water.

Door ';ia terdruk kan de Vl1oGphor"(:G~,r:voerd ",orden, al kan

deze '~ok direct. v(r'~oYn~')t porden.

~e tank is l erekend voor de opslac van 42 ton witte phosphor ( ongeveer een '.iee~:prcductie ) , en v·:orzien vC.n een st:.,ow.

-mnntcl.

Het gas uit de condensors r.~Et C:_ .• 39~,C CO k:j8.E:t nar.,r de 'w

ind-verhitters; een eventueel overi:chot kan onder een

stoom-;cetel verbrand norden. De '.:indverhitters zijn van gebTuil:e

-l~te constructie en, zoals hierna berekend zal worden,

zlin er 3 nodig: tell:ens ... :orden er 2 aangejaagd en etrooLt

door de derde de op t e ~armen wind.

De windtoevoer moet zo ~oed ~o[el~k in de hand gehouden

"

I

J.Ji tera tuur.

---

-

_

....

_-1 EIOS-rapl)Ort no 2 C.Brieon 3 H •• ~i.. Curt i [; 4 ::. Vi .;::as te rwo od 5 iJt • Glunz 6 'l'.P.Fignett ? r:ufferc1 8 F.D.Jacob 9 B.G.EluCh 9a R.D.Pil~e 1G D.:'2.c:-tae 11 :t.E.Royeter 12 i-.H.Hoyeter 13 _" .H. \.'agc:aYl':an 14 ,\)~r • TI. \/ D. LLsél r~:o. n -8-562 en su-,~nlement 15: 6 ~rit.pa~: 3515 (1808) U.2.pat. 2 ,1~3,OOl (1939) Chem (~; : etall.:::nf:'. 4û,283 (193;;')) GaslJl'oducere t, Blas tfurn2C€E. Che~.~ng.Frogress 44, 395 (1948) Che1.l.1~ng. 53,no 10,110 (1946) Ind.SnG.Cher:. 20,1204 (1928)

Ind.Enc.C>en. z.i, 371((19:::2) Ind .Eng. Chem. ~, 344 (1930) J .Am.Chem.Soc. ~, 54'7 (1921)

1 d_{n .}"_~F' _ng.v

r..

_{nem. ~,} t")A 22" _JO (10_~'7.2_O \ ₎

U.S.Dept.of Agric. Techn.Eull. 543(1937)

Ind .}~ng.CheLl • .ai, 983 (1932)

Ind .~ng.CheI'i. j,2" 344 (1950)

B ""~ de bereken inc: van de windverhi t ters :

1 Gumz :Srennstoff- und Feuerungstechnik 2 Jakob lleattr2nsfer I

3 Rummel Arch.~isenhüttenw. 1.t367 (1931) .

•

-9-Berekening van de ·,.'indverhi tters.

De vlarnte-overdracgt in ïlindverhi tterG is zeer fjecompliceerd, doordat er in gpen enkel opzicht een stationnaire toestand

is. In de eeret e pl~ .. ê.').ts ver~:mderen de temp-verschillen niet

alleen met de v!eg ooor de windverhitter , :tru:l.r:.r ook met de t· .. :d. In de tweede pl~Gts ie de warnte-overdrachtssnelheid afha

n-kelijk van het temp-verschil tW3sen de steem.and en het gas,

tervll.)l de totale warmte-overdracht afhankelijk is van het verschil tussen de gemiddelde s teenb:mp. en de gaster:~p.

En nu is bij de ~indGanE de temp. van de steenwand l ager dan

de [;eE'.iddelde stcentel:lp., b;, de gasr;ang llober .

}loch de par tiële '.'!arllte-overdrachtscoëff iciënten, noch het temp. verschil 2jJn te berel:enen, c~ls Vie niet tevoren bepaalde

gr ootheden aannemen.

HUITEL geeft in zjjm. publicatie een berekening, waarin derge -l l,jke voorond ers teIl ingen zijn gedaan.

WU hebben deze berekening in enigszins gewijzigde vorm gevolgd en hebben dn;}rbij de vol gende symbolen gebruikt: c soortel~ke warmt e

e.

dichtheid V doorstromend volume per gune bU Ooe en 1 atm. gas snelhe id bij O·C en 1 a tro. geEiddelde teL~. over gas- of windgang.

gemiddelde t emp. b',' in- resp. afvoer. duur van een gang

duur van een totale periode.

warmte-uitwissel end oppervlak.

S

V~ volume van alle stenen .

=

"

iF"'

--

i

-

x

ui tv/ies elend oppervlaK = aequlvalente steendikte

d hydraulische diameter v(~n de kanalen.

oe

part i ël e Vlarlüt E-ove rd r8c11. ts c oë ffïc i ën t

Cf sch\ .. :nbare •••

k totale •••

VI wa terVlaard e van eas of wind in kcal/hr. oe

Een symbool ;.:onder accent slaat op de gasgang, met een accent op de windgang. Het subscript s duidt op de steen.

De overgeàragen warmte per per iod e is nu op ve'rschil lend e

manieren t e beschr ijven:

1 ui t het bas afgeGeven C?eV( tl~ 2 naar de stenen overgedragen cxFO( t-t!J

3 opgenomen in de s tenen

t

b.c!>.

e",,

·

~ts' ~5

4 verschil van de vlarrjte-

'f'

F.

~o" (t.s-i:~) der s ten e TI I

F

~'

(t.

I _

f)

5 afgegeven door des tenen "'. .. . ft

6 door de wind opgenomen c~.e'- V'(t~-t,') 7 to tale w<.::rut e-overdracht

k . F.

fj}o .. (i -t')

VergelUking 3 i e afgeleid uit: warlJtewaarde van de stenen

r{,.c~.e~ x temp.stijging (tl!.s) x de ther:.ische verzadiging (~s). Deze ~~ betekent, dat de warmtecapaciteit van de stenen slechts

gedeelteljj]~ tot uiting lomt , doordat er in de stenen steeds een tenp.verval aanwezig is •

Vergel~king 4 is een bt=ondere ~chr~fwUze voor het verschil

van de warmte-inhoud der stenen b~ gas- en wind gang.

Uit 2,4,5 en 7 val t nf te l eiden: I k~o of I - <s, K ••• 8

•

l

I

I

.'

•

-10-Uit 1 en 6 is af te leiden,hocveel gas

bepaGlde hoeveelheid wind te V0rwarmen

schillen.

En tenslotte leveren 3 en 7:

er nodig is om een

bj gegéven ter~

.ver-Ai.. 2. k '0:

t -t'

=

&,c~.

es'

'1!o 0 • • • (9)

waaruit we lnter de duur van een periode zullen berekenen.

We veronderstellen bij het ~olgende, dat de verbranding van d~

g8ssen plaats vindt, voordat ze in de ruiLite met gestapelde

stenen komen.

"::ij nemen nu in navo IginC van RUlOmel: de volgend E ten.pera turen

aan :

tI' temp van ue inkoljlende viind 20° C

ti

temp van de uittredende wind 800

tI temp van het inkomende getS 1200

t~ te:Dlp vnn het uittredende cas 800

n

At' toelaatbare temp-variatie van de uitrldende wind over

één \'lindgang (bv. 850-750 Oe). 100

Hieruit berekenen we eer~t de hoeveelheid verbrandingsgassen

d · _{1e no} d" _{19 18 om} 1 25 _{, m W}a _I. _n d _{v&n 20} 0 _{op 800} 0 _{C te brengen.}

c,. tussen 800 en 1200

o

e

= 0,405 kcal/oe.m?

ct tussen 0 en 800 °C

=

0,328 •.•

zodett ~V x 0,405 x (1200 -800)= 1,25 x 0,328 x (800-20)

V = 2, 20 m!/ sec .

Om de stromingssnelheden niet te zeer uiteen te doen lopen;,

nemen v.;e de gasgang 2

₁

zo lang als de windgang: ~ = 2'û'

~ = 3~ en V

=

1,10 m ~s ec

Hier zien we tevens, dat er 3 windverhitters nodig zijn.

RUIDJ:lel geeft nu tI - t' JL ti t;~ Voor "N'

=

kF- 1 67 ~ , J • :iZ _______ _ kF .

JL..

een nomogram voor W als functle Van

w

.

lUI

cr ~ X 3600 t - t' .

c~ x 3600 1,08 en -t~= 0,34 VInd en we

I I

Vervolgens gaan we k berekenen uit 8. De partiële

overdrachts-coëfficiënten zijn te berekene~ uit:

0( _

1.

5 )( V"

2-- d v~

Stellen we vt _{= 0,6 m/sec.dan is} ~'= _{13, 5} kcal/m~.hr.oC.

v_o

=

0,53 m/sec. zodat 0( = 12 ,7. ]X,nrb;j komt nog een 0( voor

de straling. Volgens GUL1Z is de straling alleen van belang,

als er veel CO,. of II",O in het gas is. Uit het

5;

C01. in de

verbrandingseaeseb volgt een ~ voor de straling van 13.

DeO( voor de gasga~ i~. dus 25,7. De waarden van eX en ~'

wor-verenigd tot 0<0" ti( 70(' =21,6 Lcal/m2. .hr. °C.

V,ie vinden in de

pu~ica

tie van H}-lLJnel eeiJ tabel voor

V..p

in

afhankel';ikheid van ~, 0(0'

b

en

tA:\i

.Zoals we later zullen

berekenen, is ~= ~- hr,C<o= 21,6, 2.Óstellen we 0,04 m en

A t'a,. _ 100 _ r i

t - ti -

I,

2. 190n _.~ , j - '·J·

q

oo

-

0,25. loor deze waarden vinden we

a 0

Y",

=

0, 025 XI(" J m • hr.

e

/kc:.! V!e vinden nu: .3 I l K = + -to,o2S"= 0.305 ~" 1.5.7 I '!I. S" k

=

3.28. kB' • -n 1,67.W Aa n g e zie n \'1= 1, 67, 1 s J!

=

k

=

1,6'( x 3600 _3,28 x 0,446

=

820

Nu we het vrarrûte-ui twis!:èelend o)pervlak kennen, kunnen we

bjj gebruik van stenen van 12, 5 x 5 x 5 cm3 berekenen:

~. .J f _ _ _ _ _ ..--J.-.-__

-11-~

n)I1ervlak v. d • stenen 19,3 m2

/m

3 imme r lnho l~d = V_k kamerinhoud = lÎ= 42,5 m .... 7,

Fk opvervle.k kamer =

J..L:t

d2 :Qj2 x T= V 5,50 m2 (b is de dikte

0 van de steen)

~ diameter kamer = 2, C5 TI

Hk hoogte kamer =Vk/F_k = 7,70 m

Aangezien er in de windverhitter ook nog lege ruimte is worden

de totale afmetingen wat groter, nl. de hoogt~ 9 m en de

diameter 3 m •

---Yet vergel jjking 9 bepalen we nu de duur van een periode.

At

.

=

2

k 'U;

t - t'

S

.

C $ •

e.·

'1 s 0

I

A

t.2,

ti - t~

=

Hier in i s het eerste lid bij benadering gel~K aan

0,25 (zie eerder) . Verder is voor vuurvaste steen

c_Ao= 0,24 kcal/ l:g."C en e.= 2000 kG/m~

Zo vinden we ~s== 1,37'b;. ,Stellen '.'fe ~ =

t

hr,dan is tors= 0,69,

een waarde, die zeer goed overeenstemt met degene, die uit

het betreffende nomogram van Rurmnel is te vinden.

~en periode ~Qn dus het beste op een

i

uur gesteld worden,

met een gasgang van 20 min. en een windgang V3n 10 min.

Nu de windverhitter geheel bekend is, dienen we ons bezig te

houden met de warl'\teverliezen. Deze bestae:n uit overdracht

door 10 vrUe convect ie langs de wand en 20 straling naar de

or~eving. Ze vinden plaats gedurende de hele periode.

De wond van de windverhitter bestaat uit 35 cm vuurvaste steen

en een s talen mantel l1:'.et een tussenruimte VEn 5 cm gevuld

met zand. De overdrachtscoëfficiënt van de wand is 2 kcal per

m

2 _{• hr . en}

_o

_e

_.

Stel nu de ~ VODr straling en convectie samen == 10 bij een

ge-midd elde binnenwand ter:p. van 1000

o

e

tijdens de gasgang.

Dan is het totale vmrl:lteverlies:

q"

=U.

~

T

=

~~~

x (1000-20)= 1633

~~~~r

2. 10

De temp. van de buitenwand is dan volgens

q" = 1633 = 2 x (1000- tb) ,. :. tb = 184°C.

Het tempverschil tussen bui tenw:;).nd en de omgeving = 164

o

e

en de gemiddelde temp van àe convectiestroming = 102 "C. Voor dêze

gemiddelde temp. berekenen we de getallen van Grashof en van

Prandtl (Gr en Pr) ,want voor warnte-overdracht àoor vrije

convectie langs een verticale nand geldt:

Nu

=

C ( Gr x Pr )n

Zo is hier

Gr x Pr = 1,08 x 1010x L3 x 0,74 = 7,97 x l C10 x L3

Volgens Jakob mogen we bij deze waarde van het product voor de

berekening van de ~ voor de convectie gebruik maken van de

betrekking

}Ju =

~L

= 0,13 ( Gr x Pr ) 1/3 ,

waaruit volGt O<c= 6,9 kcc~1/m2.hr.

oe.

Voor de warmte- overdracht door 8traling geldt:

q

ä

=

a

.

cz

'[~~

)

;-

(

~

)'t]

=o(s'ót

,

-~

I

I

I

I

•.

I

, I

I

•

,.

7 •

,

-12-Cz = de stralingsconst2nte a

=

de stralinesfactor = 4,03 kcal/m2.hr.oK4.

=

.",0, 93 We berekenen

a

_s

=

10,3 Zo is de Met deze q~ = 0( voor wa8.rdê

_,

x I I 'I'" 1?2 convectie voeren we (1000-20)

en strnling niet 10, maar 17,2.

de berekening nog eens uit.

== 1750

=

2 x (1000- tb)

Tempverschil wand-lucht = 105°C, gem. temp.=

x 109 x L3 x 0,74 (Gr x Pr )1/3 Gr x Pr

=

9,24 Nu = 0,13 O(c: = 6,15

q~

=0,93 x 4, 93

x~;o)~

=t\x 105 eX_s

=

7,8

Dus de ~ voor convectie ~ stralin~ == 13,9.

Een derde benadering levert aldus:

0<. =O(c+O(.$= 6,5 +8,5 = 15,0 ,

zodat voor de warmteverliezen bij de g8.sGanc berekend wordt

qll

=

I~oo-~o

=

1730 kcal/m2.hr.

'l.+ï5

Op dezelfde w~ze gaat de berekening van de ~ tüdens de

wind-gang. B~i een gemiddelde temp. van de bümemiand van 750°C

vinden we cx=CXc+O(s= 5,8

+

7,0 == 12,8, zodat "laar de

warmteverliezen tijdens de windgang becUferd wordt:

]50-10 2

q"

=

~+ ~6

=

1260 kcal/m: .hr.

Aangezien het buïteno~pervlak 91 m2 _{is en een periode een}

_i

uur duurt, is het totale warmteverlies per periode:

(~~x

1260

+

~gx

1730 ) x 91 == 71000 kcal.

Hu gaan we terug naar de berekening van de nodige

gashoeveel-heden; we beschouwen ook hier een hele periode.

CV

x cp x V x (tl - t~ = ~I X cp x V t X (t-i- t:) + 71000

1200 x 0,405 x 400 x V

=

600 x 0,33 x 1,25 x 800 + 71000

V

=

1,38 m3/sec.

Hiermee r'lOgen Vie de berekeninf;en van de windverhi tter niet

meer verbe teren, wan t in de daarbü gebruikte fOrl(:ules ~(omt he t

warmteverlies niet ter sprake en we mogen het dan ook niet

betrEkken in de bepaling van

fF/f

i

.

Veor het verkrijgen v~n 1,38 m verbrandingsgae is nodig het

veretoken van 0,78 m g~s uit de condensor, d~s voor 2

wind-verhi tters S'Gmen 1,57 m • ~~r bl~ift dan 0, 13 m~ CO-houdend