Verslag betreffende het fabrieksschema: De bereiding van watervrij en chemisch zuiver natriumhydroxide langs electrolytische weg

- - - -~ - - - "~

j

J

Verslag betreffende ~ fabrieksschema;

De bereiding van watervrij en chemisch zuiver Natriumhydrox9de langs electrolytische weg.

Inleiding.

Voor de electrolytische bereiding van natriumhydroxide, staan drie wegen open.

A.De bereiding met behulp van diaphragma-cellen.

De nadelen van deze m0thode zijn,dat het percentage der loog niet hoger komt dan Z lS%.Daar e~ 100S-ig NaOH gemaakt ~oet wo~den,zou er een uitgebreid i~damp­ station nodig zijn.Bovendien bevat de loog-oplossing aanzienlijke hoeveelheden natrium-chloride,dat tijdens het indampen discontinu moet worden verwijderd.

B.De bereiding met behulp van de verticale kwikcel. Het percentage der afgeleverde loog is hierbij 60

A

70

%

.Tegenover dit voordeel staan echter de volgende nadelen: I.zeer grote kwik-investering.

~.grote grafiet-anode slijtage,dus veel gra-fiet verlies.

l.ter verwijdering van de grafiet uit de sterke loog-oplossing,dient deze gefiltreerd te

worden.

C.De bereiding met behulp van de horizontale kwikcel. Volgens de,e methode,verkrijgt men een SO%-ige loog-oplossing,die ingedampt moet worden tot 100 %-ig NaOH. De oplossing is practisch vrij van NaCl en van g:r-afiet, ~~' en behoeft dus niet te worden gefiltreerd,bovendien is

~

~' in de horizontale kwikcel de kwikinvestering aanmerkelijk

~. lager dan in de verticale cellen (dit geldt eveneens

~ ~J~ ~ voor het verl ies aan. kwik) •

\

.

I:~~

·

~~

Deze

laatste methode

i~het

schema toegepast.

Vr

_Vi'

rifJZ

~

W' ....

éJt'

Beschrijving,

tJ,D'~,I\"1

IJ

ft""

De oapaciteit der fabriek is gesteld op 100 ton 100%-1g \) NaOH per dag.

Het uitgangs materiaal is ruwe pekel,een oplossing van ruw NaCI in water. Afhankelijk van de zuiverheid van het uitgangsmateriaal gaat een min ot meer intensieve reini-ging der oplossing vooraf.Soms is de grondstof zo zuiver, dat de gehele reiniging achterwege kan blijven.

Na de zuivering der NaCl-oplossing wordt deze verdeeld over 126 horizontale kwikcellen.De lengte dezer cellen

.

,

V,l_

t~k

l(f.'r//

is 14 meter en het kathode-oppervlak is 9,6 m2• Iedere

/ cel bevat 72 grafiet-anoden.De stroomsterkte bed~aagt " 28.000 Ampère en de spanning op elke cel is ongeveer

f

5,5 volt.De cellen zijn iets hellend geboUWd en wel zo

G

dat het kwik in 50 sec. een cel doorloopt.Aan het uiteinde del' cel bevindt zich een uitlaat voor ChlOol',dat gedroogd en gecrompimeerd wordt,~n een uitlaat voor afgewerkte pekel met een gehalte van 250 gram NaCl per liter,dat na ontchlorin~eer op een gehalte van 300 gram NaCl pel' li-ter wordt gebracht.

Het in de cellen gevormde natrium-amalgaam verlaat

even-?.

I

?

eens de cellen en komt terecht in de 14 meter lange ont- ,/

~~ , leders.Deze ontleders worden in tegenstroom met ,permutiett&wY'~~~ water doorlopen.De volgende ~eactie heeft dan plaats: -'-- ..

-_.-I

~

I ~

2 Na-amalgaam + H20~ 2 NaOH + _H2 + kwik.

Het teruggevormde kwik wordt door een kwikpomp met een capaciteit van 35 Kg/sec. teruggevoerd naar de cellen. In dat gedeelte van de ontledel' waal' het amalgaam WOl'dt ingevoerd, bevindt zich eveneens de afvoer van 50%-ig 3 NaOH,H2 en meegesleurd kwik.In een separatol' van 0,5 m inhoud worden deze drie bestanddelen gescheiden.Een SOOl't hevel ondel'aan de separator bevestigd,zorgt VOOl' een con-tinue afvoer van kwik. Bovenuit de separator WOl'dt H

afge-voe~d en aan de zijkant continu 50%-ige loog en we1 2

44, liter pel' cel yer uur. Het NaOH afkomstig uit 126 ont-leders wordt ve~zameld in drie 2,5 m3 tanks en van hier-uit gepompt in drie

.

?Q

__

1113 tanks, elk voo~zien van een stoom-Sryiraal om uitkristallisatie te voorkomen.

Om de 200 ton 50 %-ig NaOH over te voe~en in 75 %-ige loog (133,33 ton) moet 66,7 ton water per dag verdampt worden. (dus ;,7 - 2,8 ton/uur). Hiervoor dient de ~;wenson-indamper.

Van deze indamper gaat de 75 %-ige loog naar twee 70 m3

tanks,die eveneens van een stoomspiraal zijn voorzien. Vanuit deze opslagtanks wordt de loog gevoerd naar een gietijzeren pot met een capaciteit van 11 ton/charge.

Deze potten worden met oliebranders verhit tot ongeveer

5000 _{8.Daardoor verdampen de laatste 33,3 m3 water,die met}

behUlp van een ejecteur worden weggezogen.De 100'-ige loog kan via een brede afvoerleiding afgetapt worden en wordt dan verder getransporteerd met een transportschroef van een dusdanige lengte ,dat de ~og geleg'-~nheid krijgt af te koelen tot even boven zijn smeltpunt ,waarna de NaOH

wordt opgevangen in drums die voor verzending gereed gemaakt worden.

WaterstOf-zuivering.

De waterstof,die de separator ver1aat( l156

3m3 in het totaal per uur) bevat nog 60-80 mg kwikdamp per m-.Voordat

de-ze waterstof geschikt is voor de handel dient een vel'wij-dering van deze kwikdamp plaats te hebben.Dit geschiedt

I

-...

in twee trappen.

le.Een koeling van 70°-30° C.

2e .Een koeling van 300 _{tot - 40°C.}

Voor de eerste koeling wordt het gas geleid door de

pij-pen van twee warmtewisselaars(parallel werkend ),waarom-heen rivier-water2stroomt.Het koelen(1 oppervlak van iede-re koeler is 28 m .De koelers zijn iets hellend geplaatst en het zich aan het uiteinde verzamelende kwik kan via een afsluiter worden afgetapt. Vervolgens wordt het gas met be-hulp van een Roots Connersville Blower en onder een

over-èruk van 20 mm Water( om het intrede van lucht in de appa-raten en leidingen te voorkomen} door twee parallel

gescha-kelde droogtorens gepompt.Elke toren is 6 m hoog en l,S m in doorsnee en is gevuld met 25 mm "Raschig" ringen. Het

gas stroomt onder in de toren,terwijl van boven 94 %-ig ~S04 naar o~laag druppelt. Het zwavelzuur wordt opgevangen iri een 8 m3 tank en met 96 %-ig zwavelzuur weer op sterkte

gebracht en vervolgens met behulp van een pomp met een capaciteit van 500liter/min. naar de top van de droog-toren gepompt.De bij de verdunning ontstane warmte wordt gedeeltelijk door uitstraling en gedeeltelijk door koel-water afgevoerd.Di~ drogen van het gas heeft uitsluitend

t

tot doel om verstopping in de hiernavolgende

ammoniak-koeler (door ijsvorming ) te voorkomen. Ter verwijdering van sporen meegevoerd zwavelzuur passeert het gas eerst twee filters ,waarin het filtermedium een wattenbed van 20 cm hoog is.Het filter.is.2200mm in doorsnede en ~ m ho?g.

Het ge~alte aan kW1k 1S nu nog 20 - 30 mg / m .Om d1t gehal-te gehal-te reduceren tot 0,05 mg / m3 wordt het gas geleid

door een flauw hellende koeler met als koelend medium verdampend ammoniak van -50 0C.Per 1200 m3 gas w~rdt 80 kg NH₃ gebruikt.(ook aan deze koeler bevindt zich een aftap voor gecondenseerd kwik.) Het ammoniak-circuit be.-staat verder uit een3traps NH3-compressor waarvan de druk in de persleiding 9 ata is.De s_{amengeperste NH3-damp}

wordt vervolgens gecondenseerd in een NH3-condensor.Door de pijpen van deze condensor stroomt koelwater.Via een regelventiel gaat de NH3 tenslotte weer naar de gaskoeler.

De waterstof passeert nu weer een filter met een watten-bed als filtermedium en wordt gepompt in een buffertank, waarvoor een natte gashouder van 3 m doorsnede en 3 m maximale hoogte is genomen.Met behulp van een 3 traps-compressor wordt het gas op 120 atmosfeer gebracht en

Lijst van de voor de apparaten gebruikte materialen. Kwikcellen Ontleders Hg-pomp Separator 7,5 m3 tank 70 m3 tank (5~ NaOH) Indamper 70 m3 tank (75~ NaOH) Indamppot Transportschroef Rivierwaterkoeler

Droogtoren bovenste helft: Filterbak NH₃-circuit Fil.ter onderste helft: Natte gashouder Opslagtank (120 atm.) Literatuur.

staal, gedeeltelijk met

rubber bekleed. Staal.

Alliage met 3-5% Ni. Staal. staal, geëbonieteerd. Staal, geëbonieteerd. Gietijzer, 18-20 Cr, 8-10 Ni en 0,07 C max. Staal, geëbonieteerd. Gietijzer. Gietijzer. Gietijzer. Staal. 131~ig silicium-ijzer. Silicium-ijzer. Staal. Staal. Staal. Staal.

L. Clarke Mannual ior Process Engeneering Calculations, second edit ion. Mc. Graw-Hill, New York (1947).

W.L. Badger and Vi .L. Me. Cabe Elements of Chemie al Engeneering.

Me. Graw-Hill (1936).

A.I. Brown and S.M. Marco Introduction to Heat Transfer. Mc. Graw-Hill New York (1942).

Dr E.H. Boasson Rapport over de industrie der keukenzout electrolyse. (A.K.U.) (1947) K. Stuart, T.L.B. Lyster, R.L. Murray VI.C. Gardiner Sidney D. Kirkpatrick J.V. Hightower Chem. Chem. Chem. Chem.

(Intern rapport voor belanghebbenden) and Met. Eng.

Eng. Eng. Eng. 114 Dec. 1942 108 Nov. 1947 102 Nov. 1948 112 Dec. 1948 136 Dec. 1948

Flow-sheet Chem. Eng. 51 178 Jun. 1950

F.I.A.T. final report 816. Horizontal Mercuri ëhlorine Cell.

F.I.A.T. final report 431. Survey of the Chlorine and Caustic Plants in

Western and Southern Germany.

F.I.A.T. final report 797. The Electrolytic Chlorine Plant in Höchst

on Main.

I

-I •

Be~ekening der ammoniak-condeaso~.

De ammoniak-condensor heeft tot doel _{het NH 3 ,afkomstig}

uit de comp~esso~, af te koelen van 2120 _{tot 71,5}0 _{F en}

deze verzadigde NH3 -damp bij 71,5 oF te condenseren tot

vloeistof.De be~ekening bestaat dus uit twee delen: A.De berekening van de koele~.

B.De bere~ening van de condensor.

Gegevens.

Benodigde hoeveelheid NH3 voo~ koeling van het wate~stof­

gas= 80 kg/12QO

m

3

P~oductie H2

=

2,5 ton/dag.

temperatuur van de NH3 bij intrede = 2120F temperatuur der NH₃ bij uittrede 71,50_F d~uk der NH₃ • 9 ata.

condensatie-temperatuur

=

7l,50_F

temp. koelwater voor condensatie = 580F temp. koelwater na condensatie

=

630F temp. koelwater na koeling

=

66,50_F

Inwlfndige diameter der pijpen= ~ " Ui twendige diameter der pijpen = ~ "

NH₃ stroomt door en koelwater om de pijpen. Het materiaal

van de pijpen is staal.De gebruikte eenheden zijn Van het foot-pound-hour stelsel.

Berekening.

Per 1200 m3 _{H2 is 80 kg NH3 nodig.De waterstof-temperatuur} is 86oF.De waterstofproductie is 104,17 Kg/uur,evereenkomend met 229,17 lb/hr.

1 cuft H2 weegt 0,005 lb ( bij 860F en 0 p.s.i.g.)

De waterstOf-productie is dus: 45.930 cuft = 1286 m3/hr. Voor koeling van 1286 m3 H2 / uur is dus

1286

1200 x 80 ~ ~ 85,73 kg

=

_{189 1b NH 3} per uur nodig. A. Koeling der NH3 van 2120 _{F - 71,5}0 _F.

Hiervoor is nodmg:

~ q1

=

189 x ( 212 _{- 71,5 ) x s.w· NH3 -damp}

s.w. van NH3-damp = 1,56 B.T.U./1b oF

q1

=

189 x 140,5 x 1,56

=

41.425 B.T.U./hr R Condensatie van NH

3 bij 7l,SoF.

q

=

189 x condensatie-warmte

De condensatie-warmte bij 71,5 OF is 507,1 B.T.U./1b q2

=

189 x 507,1 = 95.842 B.T.U./h~

I -I

I

I i •

Benodigde hoeveelheid koelwater.

Af te voeren waPmte = 95.842 B.T.U./hr i 24.000 kca1/uu~

A ....

t

=

3°0

~ De hoeveelheid koelwater

=

24.000 _{- 8000 kg/uur}

3

..

Door een 1/2 " buis stroomt, bij een snelheid van 1 ft/sec, 305 1b/hr = 139 kg / uur.

De stroomsnelheid wo~dt dus bij geb~uik van een pijp 8000 : 139

=

57,5 ft/sec.

Bet deze snelheid correspondeert een Reyno1ds getal van:

R

_e

=

D x V x

t

~ D

=

diameter V

=

snelheid l = dichtheid ~

=

viscositeit 1/2 x 1/12 x(3600 x 57,5)X 62,34

=

199.000

2,71

Om een Reyno1ds getal te krijgen van ongeveer 4000 zijn dus in de condensor ongeveer 50 pijpen nodig.

Ve~der weten we dat q

=

U x A x ~tm :

dus

q

=

hoeveelheid af te voeren warmte o ="Overall"-co~fficient

A

=

koelend oppervlak en

6 tm= logarithmisch temperatuur gemiddelde.

q

=

95.842 B.T.U./hr.

o

=

280 B.T.o./hr sq.ft OF (aanname voor condensatie) At m =(71,5 - 58 ) - ( 71,5 - 63 ) = 110F . 2 , 3 lOgt71, 5 - 58 ) 71,5 - 63 A 95,842 280

x

11

=

31 sq.ft

Voor de koeler geldt eVeneens! q

=

0 x A _{x ötm}

Hier is U' _{op 5 B.T.U./hr sq.ft OF gesteld. Atm = 48°F,} en q ::I 41.425 B.T·\.l./l-tr

A

=

172,6 sq.ft

Voor koeling komt dus het aantal buizen op172,6/3l x 50 ::I

=

+ 278 • Dit geeft een Reynolds getal van : R

=

199,000

=

718

e 278

Verdelen we deze 278 pijpen over 4 secties,dan WOrdt het Reynolds getal ook 4 x zo groot.

/

I •

I •

Nemen we nu 332 pijpen in het totaal,52 voo~ condensatie en 4 x 70 voo~ koeling,dan wo~dt de doo~snede van het

ap-pa~aat 18" en het Reynolds getal voo~ de condenso~

199.000

I

52 • 3789 en voo~ de koeler 199.000

I

70 = 2843.

Be~ekening de~ "overall"-co~fficient.

A.YQQr de koeler:

Aan de be~ekening van U gaat een berekening van film-coefficienten vooraf.Daarvoo~ maken we geb~uik van

ve~schillende empi~ische fo~mule'.

Voor de be~ekening van de film-coefficient van de wate~­

film in de koele~ buizen geb~iken we:

Hierin is DiVf

=

Re

=

2843 ~

k = thermische geleidbaa~heid van water bij 65'oF

Di= inwendige diameter

C

=

soo~telijke warmte van water

~

=

viscositeit k

=

0, 345 B. T • U •

I

sq. ft hr 0 F

I

ft D = ~ inche = 1/24 ft / ' = 2,54 lbl ft hr h i = 0,0225 0,345 _{1/ 24l'} /2843

)0,8

(I

_0,345 x 2,54

)O,~

h i

=

0,0225 x 8,28 x 579,5 x 2,221 = 241 B.T.U./sq ftOF hr Kstaal= 26 B.T.U. Isq.ft hr OF Ift

De film-co~fficient van de ammoniak film be~ekenen we uit onderstaande formule :

h o K

--If

=

D -= Co=

therm.geleidbaarh. van NH:\-damp bij 142°F. uitwendige die.mete~.

p soortelijke warmte bij constante druk.

De= effectieve diameter

G

_max =" mass velocity"

- - - .

-K= 0,0162 B.T.U./hr sq.tt oF /hr Do= 5/96 ft

C_p

=

1,56 B.T.U./1b cF

Voor De geldt de formule: De

=

4 m,w88pin m _{bevocht1gde omtrek} vrije doorlaat x

= y

4x =1/ x( za t ) 2 - ot

~

(I' . j ) 2 .N

apparaa p~ P ( N = aantal pijpen) 280 ₁₈ 7,59

"=

0,632 ft p

=--

_{x -}

₌

app. 332 ₂ 4x = 22/7 .0,632 2 - 22/7 _• 1/4 _• (5/96)2 _• 280 4x

=

1,28 - 0,584 OK 0,696 sq.tt x =0: 0,174 sq.tt == ====== 4y

=

231za • N 'Ji jp Y .. 22/7 • 5/96 • 280/4

=

11,46 ft m

=

0,174 : 11,46 = 0,01515 ft D

=

4m =0: 0,0606 ft e G a 189 = 1087 Lb/ sq.tt hr max 0,174

=====

ho

=

0,0162 x 0,33 (1,56 x

°

~2232)'/1'0

,0606 X 1087) 0,6 5: 96 0,01 2 \ 0,2232 h a 0,1025 X 2,78 X 30,4 = 8,65 B.T.U./ hza sq.tt oF o

₌₌₌₌

Daar ~<~ gebzaulken we ondezastaande formule vooza U;

1

DO/Di X l/hj+ 1,161/X x Do1og Do/ D~ +

I/ho

1

UO _{=-5/4 X 1/241 + 1,151/26 x 5/96 X log 1,25 + 1/8,65}

1 1

0,00618 + 0,00020 + 0,11590

=

0,12128

====

B.Voop de condensor wordt de bep~kening als volgt:

I I

I

I '

I •

Voor de berekening van de filmcoifficient van de

water-film in de koele~buizen kan dezelfde formule gebruikt

wo~den als bij de berekening van de koe1er.Voor het

Reyno1dsgetal moet dan echter niet 2843,maar 3789 inge-vuld worden. 0,8 hi

=

0,0225 x 8,28 x ( 3789 ) x 2,221 ~

=

0,0225 x 8,28 x 729 x 2,221 ... 301 B.T.U./ hr s~ft OF

---Kstaal

=

26 B.T.U./ hr

sq.ft OF/ft

Voor h gebruiken we de volgende formule: o

k.!> x

el

x g x À

Do xrx AtmX N

Hierin is: k = therm.ge1eidbaarh. van vloeibaar NH3

=

dichtheid van het condensaat

ho ho

=

t

g }\

;;

k

t

g À

=

de versnelling van de zwaartekracht

=

de verdampingswarmte

=

de viscositeit

=

het aantal pijpen

0,29 B.T.U./hr sq.ft OF /ft .., _{38 lb/cuft} = 4 18 x 10 +8 ft / hr2 -= 567,1 B.T.U./lb

.e=

0,260 1b/ft hr N

=

52 f, °2293 x 382 x 4₂18 x 108 x .--' 507₂1 5/96 x 0,26 x 11 x 52 ... 0,725

ji

1 ,121 x 101

2'

=

725 01,121' ho

=

725 x 1,025

=

744 B.T.U./ hr sq.ft CF

===

Daar nu

ho>

h

i wordt om U te berekenen de volgende formule

gebruikt: 1 Ui

=

_{1/301 + 1,151/26 • 1/24 • log 1,25 + 4/5 .1/744} 1 U_i = 0,66333 + 0,00018 + 0,00108 1 = _0,00459

I

1

I I • I 4 U _{i =} 218 B _• m .&...~-U / h- sq.ft oF

===

Uitgaande van de formule q

berekenen.

=

U

x

A

x

At kunnen we A m A.Voor de koeler: q = _Uo x Ao x At_m 41.425

=

8,26

x

Ao

x

48 A :;: o _8,26%48 41.425 B.Voor de condensoza: = 104 sq. ft === q = Ui x ~ x ~tm 95.842 = 218 % Ai x 11

At

=

95,842

=

40 sq.ft 218 % 11

Daar 1 foot van een 1/2~/8" pijp een inwendig oppezavlak heeft van 0,143 sq.ft ~ en een uitwendig oppezavlak van 0,164 sq.ft,is voor de koeler nOdig 104 : 0,164

=

634 ft

=::a=

en voor de condensoza 40 : 0,143 = 280 ft

===

De koeler bevat 280 pijpen en heeft dus een lengte van 634_ ~ 26 ft

280 - ''', . ' i .

De condensor bevat 52 pijpen en heeft een lengte van

;~O

:;: 5,38 ft.

;,7

Hieruit blijkt dat beide functies,koelen en condensezaen,

f

niet in één apparaat verenigd kunnen worden.

De afmetingen van het apparaat worden dus als volgt:

Een koeler met 280 pijpen van 2,26 ft lang en een "shell" doorsnede van16".

Een condensor met 52 pijpen van 5,38 ft lang of met 68 pijpen van 52/68 % 5,38

=

4,12 ft en een "shell-~

doorsnede van 8".

Opmerking.

Door 68 pijpen in plaats van 52 pijpen te nemen verandert de"Overall"-coêfficient der condensor enigszins,wat tot uiting zal komen in een grotere lengte der pijpen.