De bereiding van rode fosfor

-j : , i .. .

f

t;

d.

t

J.

*******************************************

*

*

*

DE BEREIDING VAN RODE FOSFOR.

*

*

*

*

d o o r

*

*

*

F. H. V A N M U N S TER.

*

_*

*

*

*******************************************

"

Inleiding

INHOUDSOPGAVE.

*****************

Over de ~rootte en keuzen van de fabriek. Het toegepaste proces.

De stofbalans • De apperatuur.

Berek eningt van de wa rmt ewisselaa r.

Gebruikte symbolen bij de berekening. Litteratuur.

*

*

*

Blz. 1. 2. 3. 5. 5.

9.

14.

15.

D E B ERE I DIN G V A N R 0 D E F 0 S F 0 R.

I n 1 e i d i n g.

De rode fosfor wordt uit fosfaatertsen in twee trap~en bereid. Eerst wordt het fosfaat bij hoge temperatuur tot witte fosfor

ge-reduceerde Daarna wordt door een langdurige verhitting bij 2500 _C.

en hoger de witte fosfor in rode omgezet.

Bij de reductie van de fosfaatertsen wordt koolstof in de vorm van cokes als reductiemiddel gebruikt. De temperatuur moet hierbij

~

minste"', 13500 C. bedragen. In het electrische oven ... proces zorgt de electrische stroom, waarbij de vulling van de oven als weerstand dient, voor deze temperatuur, terwijl deze in het hoogoven-proces door het verbranden van cokes wordt bereikt. Het eerstgenoemde pro-ces is algemeen in gebruik; het hoogoven-propro-ces wordt slechts op zeer kleine schaal toegepast, n.l. in de jaren 1928 tot 1939 door de

VICTOR CU:Elv1.WOIKS in de V.S. met ~~n hoogoven.(l).

De bereiding van de rode

fosfo~uit

de witte heeft discontinue plaats en is, sinds deze industrie 50 jaar geleden ontstond, niet veel veranderd. Deze methode bestaat uit het verhitten van een reac-tie-vat, gevuld met witte fosfor, gedurende

3

A

5

da~en bij een tem-peratuur van 2400

_c.

_{or hoger. Hierna wordt het materiaal uit de}

reactor gehakt, onder water gemalen en gekookt met loog om de witte fosfor, daar de omzetting niet volledig is, te verwijderen.

Continue werK#ijzen zijn tot nu toe op commerci~le schaal nog niet toegepa st.

ir .. .'.-::: .. _ ') ·r " r , -, . . , -, , :" , ' l u , 1 ~I ) .. • 1 .1 • c

OVER DE GROOTTE :EN K roZE VAN DE FABRIJiK •

Slechts een klein gedeelte van de totale hoeveelheid van de we-reldproductie aan witte fosfor wordt gebruikt om deze in de rode

mo-dificatie om te zetten. Dit kan worden toegeschreven aan de geringe gebruiksmogelijkheden van de rode fosfor (de bekendste: de lucifer-industrie) ten opzichte van de witte (kunstmeststoffen, explosieven, fosforzuur, enz.) Wij zien dan ook, dat de import van Nederland van rode fosfor klein is, n.l. in 1950: 41 ton, in 1951: 19 ton, in de ~ eerste helft van 1952: 4 ton. Het is niet mogelijk, op grond van

ge-I

noemde cijf ers, een

commerci~el verant~.oorde

fabriek op te zetten. Het productie-schema zal dan ook op een productie van ca.2000 ton per jaar berekend moeten worden.

Zoals reeds eerder gezegd, is de discontinue methode om de ro-de fosfor te bereiro-den, reeds oud en ro-de continue methoro-de is nog niet op commercl~le schaal toegepast. Wel zijn over de laatst genoemde

~~

methode: p~ten verschenen (2,3,4) en men heeft zelfs de Amerikaan-se pat~en in een pilotplant toegepast. (5).

Een continue proces heeft voordelen boven het oude: de onkosten zullen minder groot zijn, een betere controle mogelijk, waardoor een grotere veiligheid (vergiftigingt) kan worden bereikt en een beter product zal worden verkregen. Bij onze keuze, welk proces gevolgd zou worden, viel deze dan ooK op het Amerikaanse systeem, ook al om-dat hiervan het meest bekend is. Een kosten-vergelijking tussen dit

~teem _, en het oude, is niet mogelijk, omdat de nodige gegevens out-breken, maar een vergelijking zal zeker in het voordeel van het Ame-rikaanse systeem uitvallen, omdat dit proces minder arbeidsKrachten en een kleinere apparatuur nodig heeft, terwijl bovendien het malen en de behandeling met loog om de witte fosfor te verwijderen hierbij ook niet nodig zijn.

-J-HET TOEGEPASTE PROCES.

In een reactievat, dat op temperatuur van ongeveer het kookpunt van witte fosfor wordt gehouden, wordt continue witte fosfor in

vloeibare vorm toegevoerd, terwijl diametraal hiertegenover een slurry van witte en rode fosfor wordt afgevoerd. Deze slurry, die JO tot 5~ rode fosfor bevat, wordt naar de verdamper geleid; deze bestaat uit twee schuin-liggende verwarmde cylinders, waardoor heen het materiaal door een schroefmechanisme getransporteerd wordt in

tegenstroom met hete inert-gas. De witte fosfor wordt als damp door de gassen meegenomen naar de koeler, hier afgekoeld, als vloeistof weer verzameld en opnieuw in circulatie gebracht. De rode fosfor wordt aan het eind van de verdamper in een apparaat geleid, waarin het product kan afkoelen onder een inerte atmospheer.

De conversie van de witte in de rode vorm is een reactie van de eerste orde, zodat de omzettingssnelheid te allen tijde evenredig is aan de hoeveelheid niet-o~~ezette witte fosfor.

(6)

De omzettings-graad blijkt een functie van tijd te zijn, die nog afhankelijk is van de temperatuur. Bij een temperatuur van 2800

_c.

_is

50%

_omgezet in

6.5

uur. Bij hogere temperatuur neemt de hiervoor benodigde tijd sterK af. Het reactie-mengsèl is bij

50%

conversie nog tamelijk vloei-baar; bij hogere omzetting wordt deze echter snel visceuzer en kan zelfs vast worden. Het is dus zaak de omzetting in het reactie-vat beslist niet verder dan tot hoogstens

50%

te laten gaan, anders heeft men de kans de fosfor uit het reactie-vat te moeten bikken. Om te voorkomen dat een koek aan de rand wordt gevormd moet zeer krachtig ~eroerd worden. De temperatuur van de fosfor in de reactor wordt tegen het kookpunt van de witte fosfor gehOUden (2800

_C.),

ter-wijl het bovenste gedeelte van de reactor met water gekoeld wordt.

~<---"""",

Door de optredende 17étlux)is de temneratuur goed constant te houden •

.... _.-", ... r

-4-temperatuur hebben, die hoger is dan het smeltpunt

(44,10

C.).

Hier-door is het noodzakelijk de tempe~tuur van de voorraadbaK met warm

.-/

?

water of stoom te verwa~n, en eventueel ook de toevoerleiding. Dit

is ook het geval met de afvoerleiding. Hier moeten echter

voorzienin-gen worden getroffen om mogelijke versto~pingen, veroorzaaKt door de

/ - - -._\

rode fosfor, te vrerwijde!:en. Dit kan worden bereikt door een horizon-tale en verticale schraper, in een bocht van de leiding aangebracht.

In de verdamper, die zoals de tekening aangeeft, uit twee gedeel-ten bsstaat, wordt het grootste gedeelte van de witte fosfor in het eerste gedeelte van de verdamper verwijderd. In het tweede gedeelte is de transportschroef dusdanig ingericht, dat grote brokken Van sa-menklonterende in het reactie-vat ontstane kleinere deeltjes rode fos-for, gebroken worden, waardoor ook de ingesloten restjes witte fosfor worden verwijderd.

Het eerste gedeelte van de verdamner verschilt verder van het tweede gedeelte, doordat bij de invoeropening voor de slurry een

gro-tere ruimte aanwezig is. Deze dient min of n:e er als butf erruimte,

zo-dat een regelmatig transport door de verdamper mogelijk is. Doorzo-dat

de slurry in de verdamper ook een temperatuur van ca.2800 _C.heeft,

bestaat een kans, dat in deze ruimte verdere omzetting plaats heeft,

met het gevolg een verstopping. De verblijf tijd mag hier niet t~ groot

zijn, of men moet de temperatuur van deze ruimte lager houden. Hogere temperaturen in de verdamper geven aanleiding tot

"sublimatie"-verlie-zen aan rode fosfor. (Bij )000 C.heeft rode fosfor een dampdruk van

ca. 50 m.m. (6) ).

ABn het eind van de verdamper wordt het eindproduct overgebracht

naar een ontvanger, die uit twee afdelingen bestaat. De rode fosfor,

die de verdamper verlaat, heeft een temperatuur van ca.2600 _{C. en kan}

door aanraking met lucht exnlosies veroorzaken. Het afkoelen moet dus in inerte gas-atmospheer gebeuren. Het koelen gebeurt in twee

afdelin-

-5-gen door periodiek de lading van de bovenste naar de benedenste af-deling te laten zakken.

De koeler is van het sproei-principe. De hete gassen komen in con-tact met waterdrup~els. Deze verdampen gedeeltelijk, waardoor een koe-lend effect wordt verkregen.

Het inerte gas, dat over de fosfor in de verdamner stroomt, wordt voor-verhit tot 290 - 2800 C. in een buizen-oven. Als gas wordt ge-bruikt het gezuiverde gas uit de hoogoven uit het eerste gedeelte van dit fabrieksschema.

DE STOFBALAN S •

Door het hierboven bedoelde hoogoven-proces wordt 2000 ton witte fosfor per jaar geproduceerd, waarbij een jaar gerekend wordt te

be-staan uit 330 werkdagen van 24 uur. Hieruit volgt, dat de productie per secunda 70 gram is. Deze hoeveelheid moet in rode fosfor omgezet worden. Daar de gemiddelde omzetting in het reactie-vat (temp.2800

c.

en verblijf tijd 5, uur) ca.40% is (theoretisch 47%), volgt hieruit, dat 10/4 x 70 gr.

=

175 gr. witte fosfor aan de reactor moet worden toegevoerd. Als slurry komt echter ook 175 gr. uit, waarvan 60% nog uit witte fosfor bestaat. Deze wordt in de verdamner er uitgehaald

en in de koeler weer teruggewonnen (1% gaat verloren) en weer in de productie opgenomen.

Daar de snelheid van het gas in de verdam~er niet meer dan

30 cm/sec. mag bedragen, volgt uit de afmetingen van de verdamper en

èe doorgev~rde hoeveelheid fosfor, dat de benodigde hoeveelheid gas ca.20 liter/sec. (2800 _{C., I atm.) is. Uit het hoogoven-proces is}

nog 130 liter/sec. (300 _{C. ,1 atm.) hiervoor disponibel. De}

samenstel-ling van het gas is 39%

co

en 61% N_{2 •}

DE APPARATUUR.

-6-De witte fosfor (smeltpunt 44.10 _{C.) wordt uit de voorraadtank,}

die op een temperatuur van ca.600 _{C. wordt gehouden, door}

waterver-plaatsing naar de reactor gepompt. (ca.lOO rol/sec.)

D e r e e e t 0 r. Deze is van roestvrij staal en heeft de vorm van

een cylinder met een kegelvormige bod~ (tophoek 900 ). Het

cylindri-sche gedeelte heeft een hoogte van 255 cm. en een inwendige diameter van 127.5 cm. De invoer van de witte fosfor heeft vlak onder het dek-sel p~ats. Diametraal daartegenover, maar halverwege de hoogte van het cylindrische gedeelte, heeft de afvoer van de slurry van de witte

en rode ~osfor plaats. De reactor kan dus slechts voor de helft gevuld worden en bevat dan ca. 1900 liter fosfor. Met een toevoer van 175 gr. fOSfor/sec. (s.g.1.84) geeft dit een verblijf tijd van de fosfor in de

reactor van ca.5! uur.

Het gedeelte beneden de afvoer wordt electrisch verhit, zodat de fosfor een t~peratuur van 2800 _{C.heeft. Om warmteverlies te}

voorko-men is ook om dit gedeelte een 5 cm. dikke MgO-isolatie aangebracht. het bovenste gedeelte van het vat wordt door watersproeiers gekoeld. Hierdoor worden de fosfordampen, die in verband met de temperatuur in

tamelijk grote hoeveelheden onstaan, weer gecondenseerd. De met gas ge-vulde ruimte heeft een temperatuur van ca.600 _{C. De t~peratuur van}

het reactiemengsel wordt door ijzer-constantaankonpels gemeten.

Centraal is een roerder met twee propellers aangebracht. Er moet krachtig geroerd worden om koekvor.ming aan de wand te voorkomen

(1100 - 1300 toeren per minuut). Bovendien moet de roerder zo diep mogelijk in het conische gedeelte steken •

. De slurry wordt afgevoerd door een pijp met een grote diameter naar de verdamper, die zo dicht mogelijk bij de reactor is gezet, dit laatste om te voorKomen, dat de slurry afkoelt en verstopping geeft. Voor het geval dit toch gebeurt, worden twee SChrapers, die van bui-ten met de hand bediend kunnen worden, in een hoek in de leiding op-genomen.

~ -~- ~-- - ---...,.,

-7-D e Ver dam p e r . Ook deze is van roestvrij staal gemaakt en bestaat uit twee gedeelten. Beide hebben in hoofdzaak de vorm van een cylinder; zij liggen met hun assen onder een helling I ;

5

met het horizontale vlRk. Beide gedeelten hebben een goed passende lint-transportschroef, die het materiaal tegen de helling op naar boven

Î ' - - - - -_

voert (5-14 toeren per minuut; per 16 cm. een winding.) In tegenstroom beweegt zich het inerte gas (CO en N2), ingeleid aan het eind van het tweede gedeelte, na voor-verwarming tot 2900 _{C. De energie voor het}

verdamDen van de fosfor wordt in hoofdzaak geleverd door electrische verwarming, die om de verdamner onder een isolatie-Jaag is aangebracht.

In het eerste gedeelte is bij de uitlaat van de slurry een grote-re ruimte aangebracht. Deze dient min of me er als bufferruimte, zodat een regelmatige doorvoer deor de verdamper verzàc erd is. Het merende el van de witte fosfor wordt in het eerste gedeelte verdampt. In het twee-de getwee-deelte zijn in de transportschroef messen geconstrueerd, zodanig, dat de klonten rode fosfor fijn gevrreven Vlorden.

De afmetingen van b.et cylindrische gedeelte i s 320 cm. voor de lengte en 30 cm. voor de inwendige diameter. De verdamper zal niet ge-heel met fosfor gevuld zi.in, doch slechts voor ongeveer ljS gedeelte.

De temperatuur wordt 01) 290 - 2950

c.

gehoud~n.

D e K 0 e 1 e r. Deze bestaat uit een grote cylinder met een hoogte

van 6 meter en eer.!. binnen-diameter van 1.2 meter. Boven in de top

wordt door een p;root a8ntal sproeiers een gordi.in van w~terdrunneltjes

geproduceerd (20 liter per secunde). Deze waterdruppels vallen naar be-neden, in tegenstroom met de hete gassen, die uit de verdamper komen en onder in de toren worden ingeleid. Door verdamping van het water wordt een verkoelend effect verkregen. De gassen verlaten de toren boven ir~.

Aan de onderzijde is de koeler zo ingericht, dat de fosfor, die (doordet het water een temperatuur van 55-600 _{C.heeft) vloeibaar is,}

laag water. Door een overloop kan het teveel aan water in een andere bak lopen, die tevens dient als voorraadbak van het sproeiwater (op temperatuur gehouden van 550 _{C. met behulp van stoom), van waar uit}

het water met een pomp weer naar de sproeiers wordt geleid. De witte fosfos zelf wordt weer naar de reactor g~voerd.

D e G a s v e r h i t t e r . Hier worden de gassen, die in de ver-damper komen, voor-verhit tot ca. 2900 _{C. Dit gebeurt in een gewone} buizenverhitter. De warmte wordt geleverd door de verbrandingsgassen uit de windverhitters.(zie berekening.)

D e O n t van g e r. De rode fosfor wordt uit de verdemner direct hier naar toe geleid. De ontvanger bestaat uit twee ruimten boven el-kaar, dier door een klepnen-systeem - die van buiten met de hand

be-diend kan worden - met elkaar en met de buitenlucht in verbindin~

staan. Daar de kleppen b.v. eens in het uur bediend worden, moeten de beide ruimten een uur-productie kunnen bevatten, dear het ma teriaal-transport als volgt is: Eerst l'mrdt gedurende een uur de bovenste ruimte gevuld. Door de bodemklep van deze ruimte te openen, valt de inhoud in de daaronder gelegen ruimte en kan daar verder afkoelen. De bovenruimte kan nu 'Neer gevuld worden. Na een uur wordt eerst de on-derste ruimte geledigd in drums of zakken, om de volgende lading te kunnen ontv8ngen.

Een voortdurond stroompje VAn N2-gas wordt in de onderste ruimte

geblazen om te voorkomen, dRt de lZcht bij het o~enen van de klep~en

naar binnen dringt.

Daar de fosfor slechts een klein pehnlte (ca.O.Ol%) aan witte

fosfor bevat, zal na dit afkoelingsproces geen brand of explosie

kun-nen ontstaan. Het is wel nodig om toch de nodige voorzorgsmaatregelen

Berekening van de warmtewisselaer.

Voor de verdamper in dit gedeelte van het farbrieksschema is inert gas nodig. Deze kunnen wij verKrijgen uit het eerste gedeelte, n.l. een gedeelte van de gassen, die vrij komen, nadat hieruit door de

afkoeler de fosfor is verwijrl.erd. Dit gas is beschikbaar met een tem-peratuur van 86° F.(300 _{C.) en bevat ca.40% CO en 60% N2 en moet}

op-gewarmd vlOrden tot 5720 _{F. (J 00}0 _{C.). Di t trachten wij te bereiken}

door het gas door 3 pijpen te leiden, die loodrecht op de stromings-richting van ee verbrandingsgassen uit de windverhitters, naar de schoorsteen. Deze verbrandingsgaäsen hebben een temperatuur van ge-middeld 13000 F.(700o C.) in een hoeveelheid V8n 5.30 lbs/sec.(: Wo).

De te verwarmen hoeveelheid gas is veel minder n.l. 0.0275 Ibs/sec. (= Wi ).

De warmtebalans , als wij de vVArmteverlie zen na ar buiten verwaar-lozen, wordt dan:

( " ) ( . " )

q - VVi x CPi x ti - ti

=

Wo x CPo x tö - to

of: q = 0.0275 x 0.252 x (572-86)= 5.30 x 0.280 x (1300- t~ )

-=

3,368 Btu/sec.

H.v. dat t~

=

1297.70 _{F., waaruit blijkt hoe gering de warmte}

uitwis-seling op de gang in de voor-verhitters in"'iertc. t.

Deze warmte wordt in hoofdzaak op twee manieren aan de pijpen overgedragen n.l. door convectie en door: straling. Bij de straling

hebben wij te maken met een gasstraling, doordat de verbrandingsgas-sen CO 2 bevatten, en met wandstr~üing.

Wij nemen aan, dat onze 3 pijnen onderin de schoorsteen zijn op-gesteld in een kubusv6rmige ruimte met een hoogte van 2.77 ft. De snel-heid van de verbrandingsgassen is 16,4 ft./sec.

De verbrandingsgassen bevatten ongeveer 20% C02, voor de rest in ho_{ofdzaak uit N2 en vrij} wel geen waterdamp.

Nu moeten wij eerst de emissie coeffecient E

-10..:-,)_

hangt af van de partiaaldruk. PC02' van de "mean beam length"

t

en

van de temperatuur. In een grafiek, b.v. in Perry's Chemical Engeneers' Handbook (3 e Ed.) pag.490 staet tegen ~ 002 en de temperatuur lijnen van constante P002 .L uitgezet. Nu is de temperatuur ons bekend n.l. 13000

_F.

_P

C02 is 0,2 atm., als de totaaldrUk

I

atmospheer bedraagt.

L stelt de straal voor van de gesmassa in bolvorm gedacht, die meewerkt

aan warmteafgifte aan een oppervlakte deeltje. Voor verschillende

vor-men vanwarmten is L exp~rimenteel bepaald t.o.v. een afmeting van die ruimte. Zo is deze voor de kubus 0,6 x de ribbe, dus hier is

L : 0.6 x 2.77 ft.= 1.66 ft. en dus P₀₀₂ L

=

0.2 x 1.66

=

0.33 atm.ft.

De bijbehorende ~C02 bij 13000 F.

=

0.115 en bij 9500 F.= 0.108.

Voor de stralingswarmte geleverd door de schoorsteenwand bestaat een rekenwijze, die vrij goede resulteten geeft i~ de practijk.Als

effectief oppervlak van ons pijpenstelsel wordt dan gerekend het eigen-lijke oppervlak plus een frectie f. van de wendonpervlakte. Deze

frac-tie bedraao_~, ,t 0 als de verhouding wandoppervl _{pij~enoppervl.} gr ot is en 1 als

0 ,

deze verhouding en l C klein is. Nu is bij ons inderdaad het

opper-02

vlak van de pijpen klein t.o.v. die van de wand, zodat wij f =

°

kun-nen stellen.

Dit is ook wel in te zien, slechts een klein gedeelte van de

st1'8-ling van de wand komt o~, de pijpwand terecht. Het effectief oppervlak is hi er dus gelijk aan het werk el ijk oppervlak A • 3 x 1f Do x 2.77 ft.

Wij hebben dus als formule voor de stralingswarmte-uitwi'seling tussen het gas en de pijpen:

·

4

Qr = 4f f~ «(002' Tgas _- ol. _002' T4 _pijp A _•

,

In deze formule is (~ opgenomen, omdat wij niet te maken hebben met eenvoJkorren zwart lichaam, en omdat het gas niet ondoorschijnend is voor de gereflecteerde straal. Daarom ligt deze factor tussen E~ en 1. Een benadering is: ~~

=

«(~ ~ 1)

2

Wij hadden ons de uijpen uit een chroomnikkel alliage gedacht. Hiervan is de Es bij 9500 _{F. 0.69, dUs '-,' wordt}

0.~9

_{+ 1 =0.85.}

-11-Wij nemen de buistemperatuur op gemiddeld 9500 _{F. Wij krijgen}

dus:

~r

• 0.173. 0.85 (0.115 (li88 )4 - 0.108

(~

)4)A - 995 A Btu/hr.

De totale warmte aan de pij "Jen overgedragen is per uur 3600 x 3.368 :.

=

12124.8 Btu/hr. Dus door convectie moet overgedragen worden

12124.8 - 995 A Btu/hr.

Wij kunnen dus nu verder de grootte van de warmte wisselaar

nor-maal berek enen.

Qc= 12124.8 - 995 A

=

UA t_{1 .} Nu is

=

9500 _F.

(1300-572)-(1297.7-86) = 1300-572

2.3 log 1297.7-86

stellen wij nu ook nog

U

=

2.25, dan is:

12124 .8

=

995 A + 2138.8 A. of A='3 . 86 f t ~

De drie buizen, die ieder een lengte hebben VRn 2.77 ft., hebben

dus een totale lengte van 8.31 ft. Dus:

8.31 • . Do = 3.86 of Do - 3.86

8.31 :. 0.148 ft.

Bij een dikte van de WAnd van 0.15 inch, is Di

=

0.123 ft.

Wij kunnen nu dus de warmte overdrachts coeff. hi in de pijp

uitrekenen met de formule:

0.8 0.2

hi = 0.027 _{Cpi .Gi} • ;"-i

(Re

=

6860;r bij (700~ 86}/2

=

393 0 F.)

dus: h.- 0.027.0.252. 2689°·8. 0.0484°·2

=

L- 0.1230.2 2.05.

Voor de gasstroom loodrecht op de pijpen geldt:

(ho Do/kt _{o )}

(Cpo) 'f 0)

kfo

0.3

Hieruit kunnen wij dus de overdrRc~ts coeffecient ho VAn de buiten

wand be'1')alen:

ho

=

0.26 ( C n

r

f 0 / k f )

.t"o 0

0.3

Nu is Cp f 0 /kf 0 het getal V8n Prandtl, die weinig afhank e1ijk is

van druk en temperatuur. De l,V8arde van dit getal is voor de verbran-dingsgassen

=

0.78, dus (Pr.)0.3

=

0.928.

Als de film temperatuur op 9000 _{F. wordt}

o

•

928. O. 26. 0 • 338. ( 2 5 90 ) 0 .6

=

61. 5

0.148

ge,steld, krl;jgen dus:

Daar k voor ons pijperunateriaa1 13.8 is, wordt h

=

_{all< 1:.e} k _van ae wana ': 13.r

₌

_{1104 U-}1

₌

_~ 1 _{t ~} 1 _{... - -}1 _{= 0.506. U}

₌

_1.98.

0.0125 . t:..V':,J 01.5' 1104

=

Doen wij deze berekening nog een keer, maAr onder de aanname dat

u

=

2.3, dan vinden wij aRn het eind hiervan dat U

=

2.5.

Dit resultaat komt overeen met wat in de practijk gevonden wordt bij dit soort warmte wisselaars. De U's vari~ren hier van 2 - 6

Btu/ hr.rt~ oF.

Het drUkverval in de pijpen.

Wij hebben dus een aanvoer van gas van 860 _{F. met E- en snelheid} van 0.0275 lbs/sec. in drie buizen met een inwendige diameter van 0.123 rt. dus:

G'

=

0.0275/ 3.~ 0.123 2

=

0.7718 1bs/sec.ft~

Het gas komt de buis bj nnen met een temneratuur vl3n

86

0 _{F. en gaat}

-er mè~ een tempera tuur van 5720 _{F, uit.}

De pijpen zijn 2.77' rt.lang.

De viscositeit van het gas, dat 00 staat uit 3g{o CO en _{61% N2} ' heeft bij 860 _{F. een waarde van (LOOOOl18 lbs/sec.ft. en bij 572}0 _F.

0.0000190 1bs/sec,./rt • Re is bij 860 F.S064 en bij 5720 F. 4996.

(Re

=

~

).

Hierbi~ehorende

frictie factor kunnen wij berekenen met de vergelij-king: l'

=

0.00140 + 0.125/Re O•32 (gladde pijpen.)

·Nij vinden resp. voor f. 0.00843 en 0.00819, dus gemiddeld r m

=

0.00831.

De hydraulische schaal is D/4

=

0.123/4

=

0.031 ft.- rh'

-13-359 ft~ ruimte in bij normale druk.

VI

=

3~§

46f9; 86)

=

14.2

ft~/

lb.

Daar de drUk aan het eind van de buis niet veel gezakt is t.o.v. de absolute druk kunnen wij v2 als volgt berekenen:

v2

=

3~~

( 46f9; 572)

=

26.9

ft~/lb.

IDe gemiddelde temperatuur Tm

=

(460 + 86) + (460 t 572)

=

2

p

i

+

P2

=

2(14.69)(144)

=

0.0486

lb/ft~

2

R' Tm

2(1544/28)(789)

r

..

(1 atm.= 14.69 Ibs/inch?)

Wij kunnen nu de formule voor het drUkverlies toepassen (aannemende dat de warmte wisseling geen

G,2

pi -

P2 -

gc (V2 - Vl)

=~(0.7718)2/32.2~

belangrijke invloed f L'G,2 + -=-m~_-...~ o~ de stroming heeft): 2g_c rh , (26.9 - 14.2) + (0.0083)(2,77)(0.7718)2 -2.32,2(0.031)(0.0486) = 0.2349 + 0.1411

=

0.376 lb/ft~

=

1.8 mmo water. \ ,I "j

~

# #

#

-14-Gebruikte symbolen bij de berekening.

f G' h k L L' p p' q Q. R R' t T v

w

U

/

f

oppervlakte in vierkante feet.

spec.warmte bij const.druk, Btu/lb. o F.

diameter, f oot.

frictie-factor, dimensieloos.

versnelling van de zwaartekracht, 32.2 massa lbs/sec~kracht

massa snelheid, lb/hr.ft~

massa snelheid, lb/sec.ft~

warmte overdrachtscoeffecient,Btu/hr.ft~ oF.

warmte geleidingscoeff eciemt ,Btll/hr .ft~ (~. /ft.) gemiddelde straal (mean beam length); foot.

pijplengte, foot. druk; atmospheren.

druk; kracht

lbs/Ft~

warmte toegevoerd per sec., Btu/sec.

warmte toegevoerd per uur, Btu/hr.

hydraulische straal -

-f-,

foot.

absolute graden Fahrenheit.

gasconstante (-

1544/M

ft/kracht lbs. o F.

temp., 0 F.

o

temp. , R.

spec.volume, ft~/lb.

massa· snelheid, lbs/sec.

overall coeff., Btu/hr.ft~ oF.

absorbtie coeff. emissie coeff. absolute viscositeit lb/hr.ft. dichtheid, lbs/ft~ Ibs. -8 .? 0

"

-L i t t e r a t u u r.

1. H.W.E~erwood. Chem.& Met.Eng.40 No.6 (1933) 283.

2. D.R.P. 563 - 624 (1932).

3. U.S.S.R. 53.899 (1938)

4.

u.s.

2.397.951 (1946) U.S. 2.476.335 (1946)

-

-15-5. Ind.Eng.Chem. 40 357 (1948). P.Miller, R.A.Wilson en J .R.Tusson.

6. T.W.De Witt en S.SKo1nik, ~.Am.Chem.Soc.68 2205 (1946).

7. A.smits en S.C.Bokhorst. Verslag Akad.Wetenschappen

21

930 (1914).

Litteratuur voor berekening van de gasverhitter.

W.H .Me.A dams. Heat trangmission.

J .H.Ferry. Ch~ical Eng6neers Handboek.