Berekening van de pijpleiding voor de aanvoer van het natuurlijk gas voor de Fischer-Tropsch synthetische benzinefabriek

' 4 :

.

,

,

•

...

, ~ _{...':_,..-~.} I!I -~.

1

.

• ,(: .... \~ .f. :~,.t-H.rl.L~ April Bruckman1950. . :

.

~/'ljf

ft,

It

' ' ' I . '. het van ~ '.:

Berekening van de pi jpleiding voor de 'i;t'anvoer

natuurlijk gas voor de Fischer-ïropsch synthetische benzinefabriek.

I

~--Het patuurlijk gas, dat bij de benzinesynthese als grondstof wordt gebruikt, moet door een pijpleiding over een afstand van 5 km aangevuerd wvrden. Deze leiding moet z" goedkoop mggelijk gekozen worden. Hierbij moet rekening gehouden worden met de kosten van vervoer van. het gas en ook met die van de pijpleiding zelf en van pet leggen er van.

Het gas wordt in het bedrijf verwerkt onder een druk van 18 atm. Het is clus mogeli jk het gas het7.i j onder ~"

één atm. druk te vervoeren en dan te comprimeren, maar ook om het onder 18 atm. te vervoeren. De kosten voor dezeR 2 wijzen van transport zullen berekend worden met de bijbe~orende pijpleidingen.

Kosten van transport.

Er moet 5800 k mol per uur aangevoerd worden. Een normale samenstelling van natuurlijJ<:: [Sas is 96,00

%

OH4, 3.20~ N2

A '

en O. 80'iJ 000.

Het gemiddeîd mol. geY.,r. hiervan is (Perry, blz. (16) (OH4==16, N2=28, 002=·4-·1:).

~6 + 3.2 + 0.8 _ 100 = 1().3.

96/~6 + 3 ~ 2/ 28+0.8/ 4"'4" - 6.13

Om de kosten van transport te' : bepalen is het nodig te weten vrat het drukverlies is in de pi jp. Hiervoor moet echter de diamater van de pijp bekend zijn. Deze wurdt met hehulp van een nOIT"logrEtYû (perry blz. 817) bepaald uit

de dichtheid en het per uur verplaatste &ewicht • Dit .~

laatste is 5800 x 10.3 x 2.20 = 208000 lb/hr= 57.8 1b/sec.f f

De dichtfueid van het gas (in 1b/cU.ft) w~rdt berekend .

uit het gewicht van het gas gedeeld ~ het volume van dezelfde hoeveelheid. Dit v;91ume is voor 1 atm. en 20°0 5800 x 22.4 x 1 x 293 m?i /hr == 5800 x 22.4 x 293

I

273 270

1394·10 m3_{/hr= 492·1200 cu.ft/hr.}

x 35.314

cU.ft/hr - .'.

Bi j 18 atm. wordt dit l/lS x 139·14,0,= 7747 m3/hr of 1/18 x ·±924200: 27!"S570 cu. ft/hr.

208000 /

Hot soort. gew. is dus bij 1 atm. 4~24800 = 0.0·i2 lb cu.ft en bij 18 atm. e.760 lh/cu. ft.

Het nomogram geeft nu voor de meest economische pi!·j)pdiam. bij 1 atm. 60 inch of 1524 mm of 5.00 ft. en voorDJ atm. als diam. 25 inch of 635 mm of 2.08 ft •

-.~

-

'"

')

:'

,

-]

, \ :.. .• 1 ,.c. .

.

!. '/" .

Ui t het formulet je s;::,et% + c (waarin s is de wanddikte in mm

p is de druk in de pijp in kg/cm2 , d is diam pijp en c is voor '

pijpen met ~

>

300 mm= 3) is de wand_dikte te berekenen op 6.8

mm voor de LD-pijp en 22 mm voor de HD-pijp.

Het drukverlies wordt berekend uit

o

f L G""

~p::= - o r r -_ _

-2 ge m

€'

gem

e

gem is gem.·dichth.

de formule f is frictie-coeff. L is lengte pijp , ,1'~ '

...

: "",-.

G is gew.gas dat door de

buis stroomt per sec

en per eq.ft oppervl. gcis 32.174 lb.mass.ft/~~l m is hydr.straal,v~or ronde

r

;:-;---->.----~

, """t""- --' '"

\~

--~

-<~j

-r~~~~----~

,,' -( , ...,

f1

-

'

_~:

I I , . " I, \ I

I

~·I ,,'

J

, CD w z N z W al /

..

'

._- - ._---~----'~----,

2.

De ~rictie-cuef~icient is te bepalen uit een gra~iek, wanneer

het Reynoldsgetal be}:cend i s. De ruwheid wordt voor een stalen

k pi jp aangenomen op 6;5. Wanneer D is de diameter, G is als

~;;t ~,bo

v

e

n

(oex v) en

f

do viscositeit, d_{ie voor CH4 bij} 20' 0 i8

V

v!:

~.~

73, 2 x 10-6, dan is Re- DI'G

~

•

;0"

~:/

Gl atm.

=

~~gg

~ t/4

3

7t

f5:Ó~~i

=

2.95

.lP

.

~

fjl'Ûk.

<)

~

~

SI

P'i. .r x:

t

f'~' G18 atm.-_5800 _x 16. 3 x 2.20 -

-t

/rl"~ I

JUl8r

-

3600 x 1/11[(2.08)'

==

17.4 73_l..1\./IJ

lf1'

~

&

~

Jj

'

S'

:_~/

6

J'~

1- ,

- }3-z.)( h - fi{f) Voor 1 atm. is Re - 5

₃

00 x 2,,95

=

201x10 3 - '7 , 8 >\10- · Voor 18atm. is Re 2,08 x 17,4

=

483xl0 3

7

3

,2

x

l0-

n

ltierui t volgt dat

t

f'::() ,00,48 voor 1 atm. en f' := 0,0047 voor 18 atm

Verder is gegeven, dat t is 5 km :: 16404 f't en de dichtheid

wordt gemiddeld voor 1 atm. 0,05 en voor 18 atm. 0,77. Het drukverlies wordt nu:

1::.. _ 0,0048 x 1640·4 x (2,95 )2 p - Z x 32,174 x 1/4 x 5,00 x 0,05 0,0047 x 16404 x (17,-1-)2 170 lb/sq.ft

=

831 kg/m2 Ap - --.;..---____ ~--.,....,_---.:--:----~ - 2 x 32,174 x 1/4 x 2,08 x 0,77 862 1b/sq.f't :=4209 kg/m2

De hoeveelheid gas,die verplaatst wordt in de pijp is

3S,7 m3/sec voor 1 atm. en 2,15 m3/sec voor 18 atm.

139440 äeOO

=

Voor het gasvervoer is dus een energie nodig van 3a,.7 x 831:::::

3,22 104 kgin/sec~3,22 104 kW. Voor 18 atm. wordt dit 2,15 x

4209=9050 kW~

fin een jaar zijn 3500 werkuren. Do pomp, die het gas

ver-pompt (rendement 50~) verhruikt ~us een energie per jaar

om het drukverlies te _ verwinnen van 3.28 x 10·1- x 8500 x 2 kWh =

547 x 10 6 kWh/jaar. Vo,lr 18 atm. is di t ~050 x 8ROO x 2 =

153.9 x 10 6 kVih/ja[cr .

ket een stroomprijs van f'. 0,02 per kVJh wordt dit 10.9 x lOR gld. r esp. 3.08

x

IOA gld.

Kosten van de pijpleiding.

Verder is nagee;aan of' d8 af'schri jvin;'3skosten van de leiding

een rol spelen bi j da beo:1rdelHing welke druk in de gasbuis

het voordeligst is.

De lage drukbuis (LD-) is gemaakt uit stalen platen die rond

gewalst zijn, in de lengte r;eIast en de Zu p;evormde ronde pi jpsbukken aê.t.D eDeaar gel ast. De platen hebben een normaa

l-breedte van 1.83 m en wnrden a~gesneden ~p de lengte die de omtrek i s van e en huis van 1·524· mm diameter, d. i . 4790 mm.

De di~çte van de plaat is 7 mn'. De buizen zijn dus 1830 mm

l ang en vvnr 5000 m zijn dus 2732 pijpstuk~(en nodi g. Het rondwalsen, vuorbewer1cxen en dichtlassen van één pi jpstuk:

kost ~. 16.--, het aan elkaar l assen van de huizen kost f'.28.--.

De bewerkingen voor de 5 km lange buis kosten dus 2732 x (16,-+28,-)= f'. 120200.--.

Uit het verschil van uitwendie; en inwendig oppervlak van de pi jpdoorsnede en het s.g. van s~aal (7.3) is te berekenen

dat deze buis 131 kg per m l engt e weegt. Staalplaat kost

7' f. 34.-- per 100 kg, dus de gehel e buis kost aan materiaal

131 x 0.34 x 5000 :::; ~. ~222700

.--\ De 18 atm. buis (HD-) wordt gemaakt uit geperste stalen

. ...,.A \ buizen van de juis te di ameter (035 mm) en 5 m lengte. Deze

vr-

\,l buizen kosten f"? 450. -- per stuk. Er zi jn er 1000 nodig,

~ , .~~e leas ten hiervan zijn f . 450000. --.

r:~'tr

'--

Het lassen kost ~.

49

.

--

per m vo(,r een dikte van 22 mm,

vvor-VVV"

•

bewerkine; inbegrepen. De omtrek van deze huis is 2.03 m. Het

lassen van de 5 km lange buis kO:"3t dus 1000 x 8.0':) x 49 ::.

J

;'

, ..

3.

Kosten van het leggen van de huis.

De huizen moeten in zandgrond boven de waterspiegel ingegraven

wurden. Voor de LD-buis met gr\lte diameter moet het zand

diep uitge~raven worden. Dit kost f. 2.25 per m3• Voor de

HD-buis,waarvoor een minder diepe geul gegraven moet worden,

is dit f . 2.-- per m0•

Er moet na het dichtmaken van de ge111 boven de buizen 0.45 m

grond l iggen. Het t alud voor zandgrond moet 1 : 1.5 zijn.

~,_.

"'$"C",

. .--'v __ .,

(. > p

Het behulp van de tekening is te berelcenen

{p

=

(:'i x 1524~)tg } bg;g3/ 2} , dat voor

de LD-buis er 848BR m' grond uitgegraven

moet worden en dit kost f. 55950.-- en

vo_r de HD-buis 5980 m3 en dit kost

f. 11970,--.

Kosten van isolering van de huis.

De buiGenkant van de bllis moet met jute en flintooat tegen cvrrosie beschermd worden. Hiervoor wordt 5 leg/1l2 flintcoat gebruikt in 3 lagen, die f.~40 per kg kost en 2 lagen jute, die f. 2.00 per m2 kost, t erwijl het 'arbeidsloon voor het

aanbrengen van deze lagen is f . 3.50 per m2•

Per m2 kost de bekl eding dus 5 x f .0. 00+ 2 x f . 2 ... -- 7f • . 3. 50

=

f . 12. --.

Het uitwendig oppervl ak per m lengte is vonr de LD-buis

,1,.81 m2, dus voor ele gehele buis 5000 x 4.81 := 24030 m2 en

de kosten van bekleding zijn 24630 x lG= f . 2883RO._-.

Het oppervlak per m lengte VO(lr de HD-buis is 8.08 m2,

vuor de gehele buis 50UO x 8.06 = 10;-520 m2 en de kosten van

bekleding f. 1238·10. --.

Tutale kosten.

De totale kosten vuor de LD-buis zijn dus

120200 + 222700 1- 55950 + 288360 =f . 687210. -- en voor de HD-buis ~~0470 + 450000 + 11970 + 12~:5840 = f . R85?80.--.

De HD-buis is dus iets goedkoper dan de LD-buis, maar het

verschil is zeer ~8ring.

I

De compress_r, die het gas np 18 atm. moet brengen is voor

beide gevallen p:eli jk. Do kosten hiervan behoeven dus bij de

vergelijking van de 2 mogelijkheden niet in rekening gebraoht

I te worden.

De kosten van vervoer van het gas zijn veel hoger dan de af

-schri jVinp;skoé1ten van de huis. Het hogedrulcvervoer is veel

goedkoper, dus dit i a de voordel igste uitvoering. De

com-pressor komt dus bi j he t begin van de pi jpleiding te :staan.

Bij de Fischer-Tropsch fabriek is dan geen compressie meer nodig.

-staat van kOsten VOOr de LD- en de HD-pijpleiding.

,Lengte gehele leiding Diam. buis

Druk in buis Dikte wand buis

Reynolds getal

frictiecoeff. truwheid 6

%

)

Drukverlies in buis

Jaarl.energieverbruik voor gasvervoer Kosten van energieverbruik

Buis

Aantal lassen over, totale lengte

Kosten van lassen

LD-buis 5000 m 1,1''524 mm

r

'

atm. 7mm 201xl03 0,0048 831 kg/m2 5l5xl06 kWh

gelast uit plaat 2732 f 120200,-HO-buis 5000 m 635 mm 18 atm. 22 mm 483xl0 3 0,0047 4209 kgfm2 l44,8xlO

n

kWh geperst 1000 f 99470 ,-~,/ / ::/ /

---Gewioht buis per m lengte

Kosten buis per lengte

Totale kosten aan materiaal

Kosten voor uitgraven van zand

loeveelheid uitgegraven zand

Kosten voor uitgraven van het zand Uitw.oppervl.van buis per m lengte

9ppervlakte van totale lengte

Kosten van isolatie van de buis

131 kg/m' f.44,54

Im

1'.222700,-f.2,25

Im

3 2486n m3 f.55950,-4,81 m2 24030 m2 f.288360,-174 kg/JIl f.459,-/5m

f'.450000,-f.2,-

Im

o

5980 m3

f.11970,-2,06

m

2 10320 m2

f'.123S40,-

---Totale kosten voor het aanschaffen en

leggen van de buis f.6872l0,-

---"-I

k _

Bereiding van benzine uit natuurlijk gas volgens het Fischer

-Tropsch pr~c8s, gebruik makend van een "fluidized" katalysator.

Een modern procédé voor het maken van benzine uit natuurlijk gas volgens Fischer-Tropsch is gevonden in het patent van de beJeende

onderzueker op dit gebied P.O.I~eith'(U.S.P.no. 2470216).

Hierbij wordt uitgegaan van een synthese~as (OO:H2 1:1,2) dat

bere,id is uit natuurlijx gas ~901 OH4) en zuivere zuurstof'

(98f~ 02) onder een druk van one;eveer 18 atm" vraarhi j onk B~

recycle gas wor:::lt gemen,f'l'ct., dé:l.t vonrnamelijk uit 002 hestaat •

.flcet behulp Vi;,n een fluidized geactiveerde Fe-katalysator wnrden

hiwruit koolwaterstuffen gesynthetiseerd. De hierbij tevens ge

-vvrmde alcuholen en an;ere U-verbindingen worden heharldeld met

een fluidized bauxiet-katalysat or bij ROO-900"F en ook weer

18 atm., waardoor deze verbindingen gedehydrateerd worden,

maar waarhij t evens "ref\.rming" van de ho.r.:ere K.\'i. optreedt.

Het af'branden V8~n de konl, di e zich op (1.e katalysator af'zet,

geschiedt met zuurstof in hetzelf'de apparaat als de katalyse,

terwijl de verbrandingsgassen ( voorn. 00 en 002 ) bij de rooactie

-gassen wvrden geFengd.

De gedehydrateerde en "ref'orrr.od" producten \v",rden in

eenf'rac-tif.meerkolom geleid, Viaé~r dieselolie wurdt ' af'gefdle:k1,.;en van de

verbindin,rren p'et lager kookpunt, wellee laatste worden gekoeld

en ge~saheiden in een gas, een K.W.vloeistof en water. Het

water wurdt afgevoerd. Het gas en de vlueist'Jf gaan naar

sta-bilisator 2, de vloeistof' via vmrmtewisselaar 1. Vloeistof' en

gas hebben-samen een gemiddeld mol. gew. van 53~7 en het zi jn

1900 kmol . per uur, waarvan --1-0< CU2 is. De druk is 18 atm.,

temp. 300°F.

In de stabilisator 2 w_rden de gassen uit de b8nzine gedreven,

een deel van de afvloeiende benzine wurdt afgetapt, verhit in

de verhitter 5 en t eruggevuerd in stabilisatvr 2, om de warmte

te leveren die voor de stabilisatie nodig is en-een temp. :t

van 550· F te onderhouden om bij 18 atm. een scheiding mogelijk

te maken. De rest van de benzine ~vrdt gekoeld in de wa

rmte-uitwisselaar 1 en dan verder in koeler :3 t ot fiRoF, om het daarna

naar de upl'llLi.gtan.k te pompen. 2r v,ror dt 300 k mol. benzine per

uur afgetapt en ,leze heef't een mol. e;ew. van _ngeveer 120.

De gassen die stahilisator 2 ver.l Ecten wurden gekoel d. in koeler fi,

Yfaardoor een deel condense'3rt, rlat terugp;evoerd wurdt naar 2,

na in afscheider 7 van (le ni et gecondense(~rde gassen te zi jn

gescheiden. Dit VIs bevat ongeveer ROef, 082 en stroomt in een

hoeveelheid van lRO') k mol. l)er uur in de onderzijde van absorber

8. Het heeft een ge~iddeld mol.gew. van ·~1,7 en bevat waarde

-volle ol ef'inen, vo rnarnelijk van C3 en 0,1. Dunne olie vloeit in

t egenstroom met de gassen ~o~r absorber R en scheidt de K.N.

van de ander0 gassen (C02, CO, H~ en N2). De olie met de upge

-loste gassen gaat do, r ï-l8rmtewisselaar 9, wurdt verder verwarmd

in 10 (lo<lr de 'Zoutsmelt (.10'( NaN(J~, 7:{- NaNO_o, 53"~ KN03 ), d:ie

ool~el:;_ers in het b(-;dri jf is gehruil:t (temp. BOOG B, te hoog om

met stoom te verwarmen) en ~omt in de stripper 11. Hier worden

de easaen uit de olie gedreven met ;;~~O atm. over'V8rhitt:e stoom,

die in de stri)per i'vordt geinjecteerd. De van gassen bevrijde

olie wordt via warmtewisselaar 9 en koel er 12 bij 75°F in

de bovenzijde van e,hsorber 8 gepompt. De olIë loopt dus continu

rond. De niet geabsorheerde ~KS:!!m gassen worden uit de absurber

8 teruggev"erd naar de r8cycle-pijp, die naar de generator

Voor het,synthesegas l eidt. 0eze t eruggevoorde gassen zijn een

hueveelheid van 1000 k mol. per Ullr met een ~ol.gew. van ~,

37,7, t erwijl 2/ 3 ervan CO₂ is: .

De uitge~toomde gassen van str1pper 11 worden gekoeld 1n koeler 13, waar een deel condenseert. Het vloeihare deel tezamen met

de stoom (400 lb/hr) scheicit zich in separator 14 in een wa

ter-laag, die af'gevoerd ';,'Drdt en hi jv. als vuedingswater voor se n stoomketel ,kan :11enen. Boven de waterlaag ~taat een olielaag, welke teruggevoerd word~ als ref'lux naar stripper 11. De gassen

RO atm. gecomprimeerd en in v .rhitter IR van ongeveer 2000

--+op .4000 _{F verhit.}

Deze gasstroom bevat een hueveelheic1 van AOO k m(ll. per uur

en heefte!:m [:emidd.eld mol.gew. van 47,9. Dit gas wordt

geinjecteerd in de polymeris,ütlr 17, rmarin in t egenstroom

phvsphorzuur als katalysator '.·[urdt versproeid. De rea

atie-warmte van de polycerisatie wordt met het zuur meegenomen

en in koeler 18 afgevo0rd. Do space velocity is ongeveer

500 vol. gas per volume };:atalysator per uur. .

De reactieproducten worden door een phosphorzuurafscheider

geleid, om meeeesleurde druppeltjes zuur af te scheiden.

De druk wordt weer op 18 atm. afge]z"ten en verder gekoeld

in koeler i:xilx 19 waarbij een deel van het eas condenseert

en het geheel geleid in stabilisatur 20. Hierin wurdt de

ben7. ine geschei den van de lichte !(. \'J. ga ss en en deze

pol)lIT'eer-be~i-~1 vlOrdt, nadat de druk up één atm. is gebracht, gekoeld

ln COJ er 21 op AO" F en naar cie benzinetank B gevoerd.

Deze benzine, die soms veel butaa.n bevat, wordt afgel everd

in een hoeveelheid van ;:~OO k mol . per uur en heeft een ge

-middeld mol . gew. van 83,8.

De warmtetuevuer in de stabilisator 20 geschiedt d00r

een deel van de vloemstof af te tappen en in verwarmer 22

met stoom op te v[armen en in de stabilisator terur; te

voeren.

De eassen, die bov~n uit de stabilisat~r 20 ontsnappen,

wordim gekoeld in koeler 2;5, waarin een deel condenseert,

dat in separat\.Jr 24 Y.Jordtgescheiden van de niet ge con-denseerde gassen

en

t erugfevnerd boven in de stabilisatvr

20. De gassen, di e uit de separat ~r 24 ont wi jJ>::en, worden

teruggev_erd en gemengd met de niet eecondenseerde gassen,

die uit de react\.Jrkamer l~(men, waarin uit synthese-gas de

K. VI. zijn gev\Jrmd Get hohulp van de fluidi zed Fe-lcatalysator.

De gassen van separatvr 24 stromen in een hoeveelheid van

300 k mol . per uur en hebhen.een gemiddeld mol.gew. van

31, 9. Zij bevatten ~ngeveer ~5~ C02 en ook waardevolle lichte

K.W., die geabsorbeerd worden en in het bedrijf teruggevoerd.

De niet geabsorheerde gassen Eorden voor een derde

afge-ble.zen en de rest teruggevuerd naar de synthese-gasgene rator.

De gesynthetiseerde benzine heeft eun octaangetal van 76

uf 77 (A.S.T.l.:.-meth()de). Het mengsel van pol~e8r- en

gesynthetiseerde benzine heoft een LJctaangetal van 80 of