Verslag behorende bij het processchema: Bereiding chloorsilanen (fluid bed reactor)

adres:

2.10&

c.,

Technologie

DE BEREID ING VAN DIMETHYL-DICH LOOR- SI LMIEN m.b .v. FLUID-BED.

sta di um III DE

REA

CTOR .

C. Bronke, Calslaan 1-4 0 1, Drienerlo,

INHOUD.

pag. 2 - Inle i ding .

" 2 - Keuze van de reactie temperatuur.

"

"

"

"

"

3

-

Berekening van de minimum fluidi satiesnelheid .

6

-

Berekening van de reactor grootte, waarbij alleen naar de stofstr omen gekeken wordt.

8 - De zwav elw aterstof docering.

8

-

De Massabalans .

9

-

De af vo e r van de uitgeputte deeltjes.

" 11 - Berekening van de warmte afv oer in de reactor:

a. Berekening van de warmteoverdrach ts c oëffi ciënt van het fluid-bed naar de wand van de reac tor of de koelpijpen. b. Berekening van de warmteoverdracht s coëffi ciënt door de

wand.

c. Berekening van de warmteoverdrachts coëfficiënt van de wand naar het koelmiddel.

"17 - Opmerking.

" 18 - Afmetingen van de reactor.

/,-- -- - - -- - - -

--- 2

-cl~ a",

Stad i u m 111. De bereiding van Dime thylc hloorsil aaen in een Fl ui d- b e d reac tor.

Inlei din g.

De prod u ctie va n dimethyldic hloo rs ilanen vol g en s de directe synt h e s e gebe u r t tot nu

,

. :-, () 11, . t oe i n hoofd zaak in va st be d reactoren . De sele ct i v i tei t van de si la nen prod uc t ie i s sle cht. Di t wo r d t

..

vero or z a akt do o r de..hot spots op de si l i c ium-k op e r deel tje s te n gevolge van de v.ar-mte ontwikkel ing bij react ie en doo r de aanwezigheid van vrij koper , dat niet geb on den is aan het si l icium in de eta -fas e. de Wi t en Voorhoeve (1)(2) hebbe n g' ~erk t aan de synthese van dimet h y ld i c h l o or s i l an e n in een Fluid-bed reactor met een zorgv u ld ig berei d!e con ta ctmassa . Vo orh o ev e heef t de selectivitei t va n het pr o ces verbeter d tot 80

%

dime t hy ld i ch loo rsi laa n ( in het vervo lg aangedui d met D) bij een sili cium co nv e r si e van

83

%

(

zi e hier v o or stad i um 11) . Behalv e de betere warmte afvoer in een fl uidbe d re actor word t het nu ook moge lijk het proces con ti n u uit te vo er en, hierbij wordt het well i ch t mogel ijk de sàhe id i ng bet e r te doen v er-lop en.

Keuz e van de re ac t i e te mp e r atuur.

Doo r d at de re act i e s n e l h e i d onmidde llijk met de temperatuur va n de reactor samenhamgt zijn er bij een aan tal tempe ratu ren globa le berekeningen gemaakt. Ne gegeven hier b i j de waar de n bij de hoogste temperatuur 3400

e

en bij de tempera t u u r die we ui t e i n d e l i j k gekozen hebben 300

oe

.

Bij te mp e r a t ur en

-

3

-0 + 0

boven de 347 C en ben e d en de - 29 0 C loopt de selectiviteit

<>:

van de reactie opn i euw teru g.

temperatuur

reactiesn elheid

hoev e elh e id contmas s a

in de reacto r

CH

3C

l -conversie

Aan tal pijpe n voor

wanmte af voe r afs ta nd tusse n de pijpe n

3if

O

°c

3

t

W

°

c

0,4 .(

'7

0,14 g CH 3Cl/ g Si,h ...r-;:<.

.

1700 525 0 kg 50

%

20

%

580 26 0 0,5 D 2,5 D

Wi j hopen, dat bi j een pi jp~fstand van 2,5 D nog ee n goede

flul dis ati e verkr e g en za l wo rde n hoew e l de pi j pafs tan d bi

-zond er ger i ng is. Uit g e brei d en pr o e ve n zullen hie r v o o r nog

nodi g zijn. De selec ti v i t e i t van de re ac t i e i s bi j 300

°c

nog

bizonder e;oed.

Bereken ing van de min im um flul disa tiesnelheid.

De verse conta ct ma ssa bestaa t ui t deel t jes van verschi lle nde

gr o o t te. Voorhoeve is uitg e g a an van ee n me ng s e l van de

vo l g ende same nste l l i ng :

deeltje s van 50 - 75~ 20 gew

%

75 - 105~ 25 gew

%

105 - 150~ 30 gew

%

150 - 210~ 25 ge w

%

.

De ge midnel d e dee l t jes gr oo t te wordt nu 112~ . Deze deeltjes

besta an voor 90

%

uit si l i cium en 10

%

koper . De dich the id

van de contactmassa i s 2,59 .103 kgf m3 •

4

-deel t jes o~ gezet in methyl c h l o or s i l a n e n en aa n de deeltjes

onttrokken waard o or deze stee d s kl e i n e r worden. De Si-conversie

i),l _.

vindt plaa t s tot 80

à

83

%

Si, indi en we 0,2 mol

%

H

2S aa n de

methylchloride stroom toevo e g en. Vrij koper wordt tevens ve r

-wijd erd doordat dit sa men met H

2S CuS vormt. Het kop e rs u lfide

is zeer zacht en wordt van de deel t je s afgeslepen. In de

gunstigste geva l l e n wordt 50

%

koper verwij d erd als Cu S of heel

fijn kope r-s

_..

t of, De samenstelling van de uit g e p u t te deeltjes - : .

..l

,

~~~

wo r d t 15

%

Si en 5

%

Cu in vergelijk met het oor s p r onk e l i j k e

deeltje.

Het soortelij k ~c h t van de uitgepu tte deeltjes is:

f

uitgeputte deelt je =

+

f

Cu

4

3

= 4,1.10

Va n het oor s pro nke l i j k e de eltj e is 20 gew

%

overge ble ven. De

afmeting va n het ui t g e p u t t e deeltje wo rd t :

11

3

!

0,2 .7_o.D_{oo r s p r}• CM

₌

_T

17

_·

•

D3_{uitgep · ! uitgep ·}

Duitgeput =

~\ ,'

De verse contac tmas sa zal iets snell e r ver b r a n d e n doordat de

deeltj e s nog er o o t zijn, dan de contactmassa die reeds

langer in de reactor aanwe z ig is. De ge mi d d e l d e deeltjes .

gr o o t t e van de con t ac t ma s s a in de reac t or zal 70 , 75~~ be

-I

dragen, terwijl de ge mi dd e l d e samenstellin g van de massa in

de reactor 83

%

Si i s en 17

%

Cu. De dichthei d van de ma s s a in de reactor wordt: .) t"M lth..,!. ( I

l

f

CM in de re ac tor

=

3

0,83.2,4 9.10 + 0,1 7.9,0.10

3

=

3,5.1 0

3

kgf m

3

•

..

r--- - - - - - - - - - - - - -

-- 5

-- 1 -,.

Bij de over g an g van een va s t be d naar een ge f l u ïd i s ee rd be d

ge lde n twee bet r ekki nge n nml de dr ukva l bij he t doorlopen van

/ . een korrel laa g'en de dr ukval ove r )~ gel i jk is aan het gew i c h t van het een gef l u ï d is e e r d bed,(di e cl .... bed) ge l i jk zijn. We kr i jge n

na el i mi na t i e van de dr ukval de volg en de formule:

/

= 0,005 • g

.

t

(

P -g Is

f

m

3

f ( 1 -

E

)

mf

(

~

.

• s D_P

waarbij het getal van Rey n o l d s kle i ne r moe t zijn dan 10.

Hierin zijn: g

=

=

=

=

=

mi n imum fluïdiz ati e snelh eid

versn e l l ing van de zwaartekra ch t

dich the id van de vast e sto f of het gas

abso l u t e vis co s i t ei t van het fluldum.

porosi te i t van het bed bij over g ang van een vast be d

in een gefl u ïdi seerd bed.

~

s

= vormfactor

D ₌ Diame t er va n de bol met gel i j k volume al s p

deelt j e van onregelma t ige vorm .

( 0,005

.

9,81

.

8,8

.

3,5• .1. 30 G mf

=

0,7 -5 2,16.10 6 -2 _kgf 2

=

,2. 10 m

.

sec

.

D

.

t

g

.

v 70.10-6 6 - 2 p g Re

₌

....

.

,2.10

₌

0,3

_•

.P

g 2,1

6

.1 0-5

I

.1

I

, . - - - -- - - -- -- -._- - - -

-- 6

-Berek ening van de reactor gro o t t e, wa arbij alleen naar de

st o f s t r ome n gekeken wordt.

In verband met de af ha nke l ijkhe id van de reactiesnelheid,

de methylchloride conv ersie , de ga sd o ors tro oms n e l h e i d en

I

1:-ll'.'"

de L D-verhoudin g ~ elkaa r konden deze berekeningen slechts

uitgevoerd word en met beh u lp van de trial en error methode.

Wi j zijn hierbij uitge g a an van de reactie sne l h e i d, die onmid

-dellijk samenh angt met de methylchlori d e conversie zoals uit

nevenst a ande gra f i e k blijkt. De methylchloride conversie is

echter afhanke l i jk van de gas d o or s t r o oms ne l h e i d en van de '

doorsnede va n de reactor, terwijl deze opnie~w af ha nk e l i j k is

van de LID-ve rhou din g. In ver band met het gr o o t t e aantal koe l

-pijpen in de reactor le e k het ons niet juist de doorstroomsnel

-heid gr o t e r da n 4

à

5

màal de minimumfluldisatie snelheid te

maken. De LID-verhou di n g werd kleiner da n 2 ge ma a kt .

Indien we uitga an van een methylchloride conversie van 20

%

is de reactiesnelheid over het ge h e l e bed ge n omen ge l i jk aan

selectiviteit is 80

%

D

De proces ge g eve n s zijn: pr o d uk t i e

625

kg D per uur

g

CH3Cli

g Si , uur omg ezet methylchloride . ( Fig. 1 )

0,14

Si-conversie i s

8

3

%

De chloorsilanen en de methylchlootsilanen die als neven

pr o duct e n bij de bereiding ontstaan gebru i k e n gemi dd e l d

2 met hy l c h l or i de atomen per silicium atoom.

De methylchloride omzet wordt nu:

101 10

625

•

1

I

I

-

7

-Met behulp van de re acti e s n e l h e i d vin d e n we nu de hoe veelheid si l i ci um die in de re actor aanwe z ig moe t zi jn : 1 0,14 • 610

=

4360 kg Si •

Met behulp van de samenste l l i ng van de ma ssa in de reacto r ,

die bere ken d is op pag.

4

wordt de hoe ve elheid cont act ma s s a

.

(I , 3.$"-.<!o :J i n de reacto r berek e n d op 525 0 kg. " Il7 1" ' -Indi en ~e de met hy l ch l o ride str o om met een sne lh ~ van i r ~ ~ \C'MiV·(

'J"

.{.

Vi.> .o -2 2 - J ) , 27,5.1 0 kg / m- sec door de re ac t or late n st romen i s di t

4,5 maal de min imum fluï dis ati e sne lh eid, te rwi j l de L/D-ver

-houdi n g gel i jk~o rdt aan 1,3. De door s nede van de re actor wor d t :

1'

,.

!

i' --

_

610 ',₍,'_/ i_'/. ,"_'." • 3600 • 0,2 De di ameter va n de 2 m 2 meter , hierbij is nog gee n 3,11

=

,_lA\f' _{/{t;..,J,J..... :.}

I

; ~..!.~

,

i

rea ~tor wo rdt j(.r .

.

,

:.,;" . -2 27,5 . 10

L,.

,

'

I t"~.,;:r (J//~ ". (

.

'

re kening gehou den me t het in b re nge n van pi j p e n in de re ac t or .

de Wi t (1 ) heeft ex p er i me n te el de por os it e i t va n het bed be

-paald bij de min im um fl u id isa t ie snelheid. Voor dee~tj es van 70~ is

L

mf

=

0,63 • De bedh oogte is dan ge l ijk aa n:

=

p A • ( 1 -

.E

_mf ) •/ s = 1,32 meter.

Hi er i n i s: P

=

totale mass a i n de re acto r

A = doo rs nede van de re actor

H

mf

=

bed-hoogte bi j mi n. fl uid isat ie sne l he id

,- - - -

--

8

-- 2

Om de bedhoogte te berekenen bij een gassnelheid van 27,5 .10

2

kg / m sec wordt op n i e u w de poro siteit bepaald door de

dr ukval over het bed ge l i j k te stellen aan de betrekki ng voor

he t doorst rome n va n een korrellaag. Indien we met bo ve nstaa nd e

formule de hoogte van het fluidbed uit deze for mul e el i

-mine re n vinden we vo o r de porosite i t De bedhoogte is: ::: 0,81 1 -

t

mf 1 -

t.

=

1,32 . 1 - 0,63 1 - 0,81

=

2,60 meter . De zwavelwaterst of do~e r i ng.

Voorhoeve verwijdert het vrije koper, dat op de deeltjes achter bl i j f t na de re a ct i e met methylch lor id e met behulp van een kleine hoev e elhei d H

2S in de methy lchloridestroom. Hierdoor

wordt de selectiviteit van de re acti e vergroot en een hoevee l

-beid koper als Cu S- s t o f uit de re ac tor geblaze n. Voor hoeve

o

.

1

-stelt eon do-Ser ing van

l 0,2 mol

%

in de CH

3C

I-stroom voor. Het CH 3CI ge br ui k i s 610 kg , de conversie i s 20

%

,

de me t h yl c h l o r id e s t r o om is dus

5

610

=

3050 kgf uur door de l

reac tor. Hieruit volgt, dat per uur 4,1 kg H

2S aa n de ...."t

CH

3CIs tr o om toegevoe gd wo rd~ Indien het sulfid e de reac t o r

verl a at als kop e r s u lf ide wo rd t er pe r uur

8

kg Cu afg evo e r d.

De Hassaba la n s.

De massa balan s komt er alsv o lg t uit te zi en:

De reactor in: 3050 kg

_/

uur CH 3CI -227 kr~

/

uur contactmassa 4 kg

_/

uur H₂₃ I'o taa l ~5281 kG

/

uur

..

-

9

-De reactor uit: 625 kg

_/

uur dimethyl-d ichloorsilaan

_I

_::

')

M

e:

'?

155 kg

_/

uur neven producten g~Gyo,,,·,,(.-(:..v

D

H:

" ...-.,.... c:

c: :

1

2440 kg

_/

uur CH 3Cl ~,)l:., \",1 \ ~'H{r>

?

12 kg

_/

uur CuS-stof 49 kg

_/

uur 6u-Si -s t o f Tota al 3281 kg

_/

uur De conta ct ma s s a hoev e el h ei c1 in de reactor is 5250 kg.

De afvoer van de uitgeputte deel t jes.

Tot ~IU toe heo :"_l1 ':Je de reac t o r slechts als een fluidbed reactor

berekend en aangenomen jat de jee l t j e s die uitgeput waren

de reactor met de gqs st r oom zoud e n verlaten. De reactor moet tegelijker tijd al s een soor t windzifter wer ke n. Ind i en

een de~l t je zich in een gasstroom bevindt waar van de snelhe i d

gr o t e r is dan de sn e l he id , die het dee l t j e zo u kr i jge n bij vrije val, wordt het deel t j e met de gas s t r o om me e gevo erd.

De maximale gr o o t te van de de e l t jes die me t de gass t r o om me e

-ge v o e r d word en kunn en we be reke n e n met de formul e voor de

vrije val va n een de eltj e, bij laminaire st r omi ng i s dit:

=

Hierin is v

- 10

-Voor uitgeputt e de~ltjes met ! s

₌

4, 1 .10

3

kg / m

3

i s dit:

-

5

-2

18 • 2,16.10 • 3,1 .10

=

3 4,1 .10 • 9,81

=

3,0.10- 10 .

f! (-:

A"'-!)-f( ;"•._f;: ' .:.,1 . Voor ver s e dee l t j e s met

I

s

=

2,59 .103 kg / m3 is D_p =

2

~ .

Op pag.

4

i s de G0.mi d~elde grootte de r uitgeputt e de21t je s bere ke n d op 5~ . Ui t bo ve nst aande bereke n i ng blij kt, dat de

dee l t j es ni et zonder meer afgev o e r d zu lle n worden. De

gassnel-heid zou gel i jk moe te n zijn aan v

t

=

0,33 m / sec.

Dit i s 47 maal de min imum flu id i sa t ie snelheid.

De hoev eelh e i d cont act ma s s a i n de reactor is

5

250

kg. De

hoeve elheid conta~ t mass a d~~ per uur in de rea ctor gevo e r d wordt

is 22 7 kg. De gemidd elde verblijftijd per deeltje is 23 uur.

Er zullen uitvoer i g e pr oe ve n voor nodi g zijn om na te ga a n

of de deel t jes ged u re n d e dez e 23 uur voldoen de af s l i j t e n en

breke n om do or de gass troo m ver wijderd te wo rde n. Ee n

an der e mog el ijkheid i s een reactor met een overloop . De

samenstelling van de ma ssa in de reactor gaat dan echter

ste r k lijken op de samens tellin g van de uitgeputt e deeltjes,

- 11

-Berekening van de warm te af voe r in de reactor.

De vormin gs warmte va n de methyl c h l o o rs i la ne n uit sil i c i um

en meth y l c h lo r i d e is biz onder ho og. de Wit (1) he eft de vormin g s wa r mt e geschat op 80 kcal / gmo l si la n e n. Ko r tge -l e d en is uit Tsjecho-Slow ak~ e bericht ontvangen, dat Bazant en medewe rke rs de vormingsw armte op 92 kcal / gmol silanen

voor het meng se l bepaald he bbe n. Dit bericht bereikte ons

ech t e r naèat de te k enin g en reed s gemaak t waren.

Indien we het gemiddelde mole cu ul gewi c h t van de met h y l

-chloorsilanen op 129 ste l l e n is de warmjeontwi~celing in de

reactor 780/129.8 0.0 0 0 = 48 5.0 00 kcal/uur = 565.000 J/sec .

De warmteov e r drac ht in een gef l u ld i see r d bed ku n n e n onder verd elen in dr ie gedeelt en :

a. wa r mte o ve rd r a c h t van de de eltjes en het ga s aa n de wand.

b. warmteover dracht doo r de wan d.

c. warm te o ve rdracht van de wand naar het koelmidd el.

a. Be re ke n i ng va n de warm teove rd r a c h ts c o ë f f i c i ë n t van het fluld-bed na ar de wan d van de reactor of de koel p i j p e n.

Met behu l p va n dime nsielose groep e n hebb e n Wender en Cooper(&)

uit nege n vers ch i l l en d e br o nn e n een algemen e formule

same nges t e l d, die tegen het getal van Reynolds uit gezet

w~ rd t. De z e graf i ek is al lee n gel d ig voor de warmt e o v e r d r a c h t

=f

naar de wa nd

oe

Dp

/~f

van de reactor. -'.i e vinden de vo lg end e formule:

Dp • v •

f

g 1 + -0,4 4 (

L/D

T

)/(

c

s

/

c

g

)

7,5e

l

----

~---.; 0 _,

I

i (,0 011' 0'''''' ''":. , I

I

0."'" ._ 'Ga", I . - - ,. .0' oU~

~

I

o. on !: o ..." - ._ ;, o' " 0 I' a (10 a'r.. .... t ~ ".-, 0 • 0 • 0

..

, "~ ,,O.. .... .:0'),,":. '.: •

,

·

••0 ,

..

i

1 C'.l~ ",...,i~. I· J~ . . 0

...

.

.

~,,,,, ,

'-

I

"

I ~~~f.r;~~~

-

_

_

I ~~ I

s

cn,;,

s:

;;.M'iJ.'1/J i ::"C I "i':> ;;~: '~J '\ '10 \'

i

/ '

"'

'

_i

~

:

~ ,.:~

I

·

'

t

•

:

0 i

..

, i I '

·

0

I

/1

"

..

! 0

. .

,

·

! I

....

_,

.

,

I IlUf'Ma..l)oo{fI "OO1lIUoTZ t.o...-o....e. 0 LC...W[' ''Uh...1.,,,"10...

h lc.owtTUlO"O_ UOooI:

,

.

o.o/ u V ..,(." l.[T....O' ..Il.~ O "'...-.s"T U)W,.'~Tn: .1 .

-a •

.

fig.2 . rel at i e re a c tor van de warmteo ve rd racht aan de i .v .m . he t get'~l van

_,

re yn ol d s . wand va n

- 12

-hierin is: _0<- = warmt eov erdrachtscoëfficiënt. -6

D = deel t jesgr o o t t e ge m. 70.10 •

p

,Af warm t egeleidings c oë f f i c i ë n t ,

0

= 0,0315 J/msec

c

.

t:

= porosit e i t , 0,81 .

c = soortelij ke warmte c = 0,2 8 2 kcal/kg

°c

g c = 0,15 6

"

s

!

di ch t he i d I s 3 kgf m3• = = 3,5.10 t g = 8,8

"

(

L = hoogte ge f l u i d i s ee r d - bed 2,60 meter.

D

T = diamet e r van de re actor 2,00 meter.

\.. \

,

i _{v = snel heid van gass t r o om bereken d op de lege buis.}

\..--~ g = abs o l u te viscociteit van het fluï dium

Het getal van Rey n o lds Re

=

-

6

-2

8 8

70.10 .3,1 . 10 • ,

-

5

2,16 .10

=

0

,88

De relatie van We nd e r en Coop er komt in di t gev a l overeen met

-0,44 • (2,60/ 2,00)/0 ,156/0,282)

(zie gra f iek hiern a a st) .

=

-

6

0( • 70.10 / [ ° ,0 315. ( 1 - 0,81 / 0,28 2.8,8) ).0 ,156 .3 ,5.103/

J

1 + 7,5 e

Doord at de re act i e sterk exot he r m is, is het koe l op pe r v l ak

va n de wan d van de re actor abso l u u t niet voldoen d e. Hiertoe

worde n een aantal koe lpijpen doo r de poreuse plaat van de KR

re ac tor gev oerd. ~ederom he b ben Vlender en Cooper een relatie

EOUAT1l)HOlUNE'₁₁~_{, 11·(.1} (_e-'_,P,LJO...S•00'"_{. "}(~)O_IJ .U('-'_CtJO '" ("J_P,O"

"Olt'.'f;,'.IH SQ.rr.lHIU

Fig.3 .

o W,{ ~t( ,"'-0''''"11....0:;

IJ OL"""'OOOOC:""

'J 'OOtll( T "'"O JOkIoSf Cil'o(

o"'(lUi .•"''&'51:10AIOaGol...tll

6""c al( T&IlO''''lll'' ~ • COM.lIIO"..'lUIO " ' OIIOl'Oilll. U

e.u "..,,,.t:Io("~ "AfOIiNOCOOLl'"

De recht e

_..

ter bereken ing va n de warm te ove r dr ac ht aan pijpe n in

(

een fl u id-bed reactor.

I

I

I

t VESS WAL

I

I

i i

V

I 0::

r-.

..., a: 0

_/

J/

~

I

I

R,/Ry .' 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 o 0.2 0.4 0.6 0.8 EL L r:

Fig.4. Re la t ie van Vreed enb er g voor pijpe n die niet in het centrum van

- 13

-Zij hebb en de resultaten van ve le ond e rzoe k ers in een gra f i e k

sa men g e br acht. De rech t e , di e op die ma n i e r verkregen wo rdt

vo l doe t aan de vo lg~n d e ve r gelij king: (f i g.3 ) ( 0,43 )

₌

D •v.!J 0,23

=

0,033C

R

( p

_.--u

g ) g c 0,80 (_ s_) c g

I

0

,66

( _s_)

t

g

Hierin is

CR

ee n corr ectie factor voor pijp en, die niet in het centrum van het bed gepla a t s t zijn. Deze factor is bepaald door Vreedenb er g (7) en in de di agr a m figuur 4 weergege ve n. De koel

-tk~ pijpen zijn over he t gehe l e be d ver deeld, we he bbe n voor

~__.:1.

de correctie factor de waard e n 1,5 ge n ome n , waarbij we de

kr omme na ar de wa nd toe geëx t r a p ol e e r d hebben.

De groep

À

g / Cgfg is niet dimensie lo os . De formul e is dan

ook al l e e n gel d ig ind i en de z e gr oep uitgedruk t wo rdt in

sq.fee t/ hou r . 0,43 ( 0,183 )

=

-

6

0< .70.10 / 0,0315 1 - 0,81

=

0,033.1,5 (

6

2

O

,=.:,

70.10- .3, 1. 10- .8, 8

-

-

- - - )(

6

-

5

2,1 .10

3

,

5

.

10

3

o

,

b',

.

( ) 8,8 0,156 0,80 - -) 0,282 ex

=

b. Berekening van de warmt eoverdrachtscoëfficiënt do or de wand.

De reactor werk t bij een dr uk van

8

ata, de diamete r van de

=

2500

-- -- -- --

-

----"-- - -

...,

- 14 -t = p.D./ 2

~

= 8.2/ 2.740 = 11.10-

3

met e r .

D

~and

moet 1

11 mi l l i me ter mi n imaal zijn , i n verband met afpe rsd r uk , veili g

-heid, en z. ste llen we de wanddikte op 20 mmo

De warm te-gele id i ngs c o ëf i ci ë nt van staal is 50 J / m sec

°c

.

De war mt e -over d ra c h t s c o ëf i c i ë n t over de wand i s ~ =

A

/

d =

2 0

J / m sec C .

De ko e l p ij p en die we geb r u ike n heb ben een binnendiamete r van

1 inch en een buiten diamet er van 32 mmo De warm te o ve rd r a c h t s

-coë fficiënt Il<. =

À

/

(r_u In r / r .) =

U 1 6250

2 0

J

f.

m se c C.

~Berekenin g van de wa rm te- o ver d ra c h t s c o ë f f i c i ë n t van de wand

. na ar het koelm i dd e l .

Bi j de keuz e van het koelmiddel zijn onze ge d ac hte n uitge g aan

na ar water , dowtherm en gesmolte n zouten. Indi en we met

water zo u de n koe le n moete n we koe lpi jpe n heb b e n die een

enorme druk ku n n e n opvangen, daar de reactortemperatuur binaen

een gr aa d nauwkeuri g constant geh oud e n mo e t wo r de n en he t

o

temperatuurv ersch i l ni et meer dan 20 C mag bedra g en.

~

Een tweede nad e el i s de re ac t i e di e kan optre d eh tus s en

het wate r en de silanen bij lekka g e. Door de hydrolyse van

~e. f~ l#o"~.,

lHd . Wfil"l;IëlF worden polymeren gev o r md , di e enorme verstoppin g en

in de re actor en in de l e i d ingen veroorz a k en.

He t ge b ru ik van Dowt h e r m heeft het bezwaa r , dat de dampb e l le n

de wand va n het bo ve nste ge deel te van de koelpij p en zullen

ku nn e n afsc he rm e n, waard o o r het boven st e gedeel te van de

reactor te ve el in temp e ra t u u r zou kunnen stijg en, hetgeen

(UO(,~ h~

een ket t i ng gev olg kan hebben.

Gesm olten zoute n hebben het eno rm e na de e l bij het opwarmen van

- 15

-De ge s mo l t en zou te n reageren bij l e kka g e niet of we i n ig met

de chloor sil a n en, zij koelen op al l e plaa t se n in de re ac to r,

met gesmol te n zouten kunnen we bij 1 atm we rke n.

Onderi n de re ac t o r is de con ce n tratie van meth ylc hlori d e

gr o te r , da n boven i n de react or . Hierd oor i s de methylch lori de

omzet ond er in de re a ctor gro ter en in verband hie rmede de

warmte on twikk e l i ng. We kunnen het beste de zouts troom in

ge l i j k~tro o m met de gas s tro om doo r de reactor voeren, de

A

T

i s hierd oo r benetlen in de reacto r het groot st , evenals

de warm tea f v o er .

De gesm o lte n zoute n hebben de same ns t ell i ng van het eu te ctis ch

punt b.v. 40

%

NaN0

2 ' 7

%

NaN0

₃

'

53

%

KN0

₃

•

Het smel t

-punt is 142 oe, de dichtheid is 1,98 .10

3

kg/m

3

,

de soo r te

-l ij k e warm te is 0,373 kca l / kg oe , het mo le c u u l gewi cht

92 •

In d ien we het gesmolten zout met een sne lhe id van 1 m/sec doo r

de bu i z e n l a ten stromen/is de wa r mte-ov e r d ra c h tsc oë'ff i c ië nt

van de wand na ar het ge sm o l t e n zou t volgen s Perry : 932 J/ m2s ecoe.

Voor de pijpen in het bed moeten we de wa rmt e-o ve r drach t s

-~ co ë f f ic i ë nt berekenen op het bu ite n op pervlak va n de pijpen,

di t is: 0(*

=

"'

.

r ./r

=

932. 25,4/32

=

740 J/ m2sec oe.

l u

De tot a le warm te-o ver drachtscoë f f i c iënt aan de wand van de

react or wo rd t nu: 1 1

=

+ ij ~ fl . b e d - wan d 1 1 +

=

p(. wand K. wand -gesm. zo ut 1

=

480 1 2500 + 1 932

-

3

=

3

,

9

.

10

.

Utota al =

,-- -~ - - -- -

-- ;1'6

-He t opper v lak van de wand bedraag t 17.D. h =

3

,14 .2 .2

60

=

13

,6

m~

j j

: /

..)

.' Indi en we een Gemiddelde ~T aannemen, die nie t gr o t e r m~g

zij n dan

2

0

oe, wo rdt via het op pervlak van de r e acto r " "

0<.. 6 T. op p =

280

.20 .13 ,6

=

7

6

.

0

0

0

J/ sec afge v oe r d.

De warm te die bi j de re acti e vrij komt is

56

5

.

000

J/sec.

Me t behul p van de koe lpijpem moete n we nog

56

5

.

000

-

76

.000

=

4

89

.

000

J/ se c afv oeren.

Bij de berei di n g van de totale warm t eo ve rd ra c h t s c o ë f fi c i ë n t i s de warmteoverd ra chts co ëffi c i ë n t van het flul d- b e d na ar de wand van de pijpen bepa l end. De warmte overdr a c ht wo rdt ver -beterd indien we koel pij p en met ribb en gebr u ike n. Deze rib b en l open in de lengt e van de pijpen en wo rde n ieder e

25

cm dOOD

-c, "

een sc h ote l onde rbroke n, om t e voorkomen, dat "slt_~)ng -l a ng s de pijpen zou optr e d en. De wurmt eo ver drachtsc o ë ffi ciën t bij koelpijpe n met ribbe n i s bizonder moeil ijk te berekenen, omd a t de ri b ben ook gedeelte van het oppervl ak afschermen. Op de

pijpe n zijn

24

ri bbe n van

1

7

m~ l e ngte en

0

,

9

mm bre~dte op

doe 1';

ar

n aan ge b ra c ht. Uit erva ri ng is gebl e ke n , Qat bij

gas- en vl o ist o fkoeling ~e warm te o v e rd r ach t scoëf fi ci ë n t

tweema al zo gr oo t wordt d.w.z. de warm te o ve rd ra c h ts c o ë ff i c i ë n t Van het fluld -be d na ei -.:.:: "and wordt

7

56

J/m2sec oe.

1

=

1 0'fl-wa n d + 1 o<.wand + 1 0<. wand- z ou t

=

=

₇

₅₆

1

=

+

₆₂₅₀

1 J/ sec + 2 m 1

74

0

=

2

,

6

2

.

10

-

3

+

r

- 17

-Het benodi g d e koeloppe r v lak is 48 9.0 0 0/ 345.20

=

71 m2

De bui te n diamete r va n de koelpijpe n is 32 mm, bi j een be dhoo gte

Van 2 6, 0 p:e er wt o rdt h_(=-I-l.,. plJoppeo:'f r v1ak per/:P 1oJop_ 77.32. 10- 3.2, 6

=

2

0,262 m De re a ctor moe t voorzien wo rde n van 71/0,262

=

2

260 pijpen. De pijpe n kunne n over een op p ervl ak van 3,36 m

,-.r~

geplR a ts t wo rd e n indi en de Gtecka f s ta nd tussen de p~pen

2,5 D i s. Dit wo rd t vo or pijpen me t koelribben van 6,1 7 mm

een steekafstand va n 1,8(D + 2.0 ,17) .

Het opp ervl a k dat do or deze 260 p~pe n word t i nge n ome n is

=

0,2~ m2• De totale doo rs ne d e n

van de re actor wo rd t nu 3,1 1 + 0,25

=

3,36

m

2

•

De diameter van de re actor D

=

2,07 m.

Het to ta l e inwen di ge op pervlak van de koel p ijpe n wordt 0,132

De snelheid van de zout stro om ste lle n we op 1 m/sec d.w . z.

0,132 m3/se c zout door de koelp i jpe n gep omp t . Dit is per uur

2

m •

0,13 2.1,98.1 03 .3 6 0 0

₌

9,4 . 105 kg zout . De so o r t e l i jke warmte

v~n het ges mo l t e n zou t is 0,373 kcal/uur . Door de warmte die

de zoutop l os sin g op n e e mt zal deze 485.0 00 /

9

,4 .

10

5

.

0

,

3

7

3

:

14 oe in te mp eratuur s tij gen. Het te mpe artuur vers chil wordt

als logaritmisch Gemi dde l d e be r e k e n d. De tempe ratuur van he t

binnenkomend e zout is 27 2 oe, terwijl de uitg an gstemperatuur

28 6 oe zal be drag en.

Op mer kin g.

1. Bij de excursie na ar Synres w~q r fta alzuur anhy dride in

\~o rd~ 0

een fluld -bed bereid word) bij ongeveer 320 e ge k o e ld met

wa t er van 15 atm. dr u k. Dit water kookt bij een temperatuur

va n ong eveer 200 oe VO'!@'é1:liott De tempe artuur val tussen het ge

-:- 1

8

-toch weten zij he t be d te re g elen op een gra ad nauwkeurig. De

deeltjes gr o o t te zal ongevee r 2GO ~ zijn gewees t . Het is dus

mog elijk de reacti e tempe~tuur op één graad nauwkeurig te ~ re gel en me t ee n gr o te re tem p~tuurval wa ardoor veel mi nd e r

p~pe n nodi g zijn, en de koelribb en ook ge mi s t kunnen worden.

2. Bij dezelf àe excursie werd verteld dat een fta alzuuranhydride

fabriek in Duitsland de koe lp i j pe n door de poreuse bodemplaat

ge le id ha d. Aan de onderk ant van de koelpijpen waren enorme

gaten ontstaan door corrosie. Waa r s c h i j n l i jk zull en nog vele

experimenten nodi g zijn om de tempe~tuurval te bepalen en

de corrosie eig en schap p en die het bed op de verschillende ma

-terialen heeft.

3

.

De onderste pijpenkamer van de koelpijpen hebben we van een

elliptisch vor~ voorz i~n om de druk in de reactor bet er op te

ne men. De onderkant van de bovenste ka mer he eft dezelf de vorm

zodat de pijpen allemaal evenlang zijn. De bovenste pijpenkamer

i s bewegelij k opg eh an g en en rust op de koelpi jpen. via expansie

balg word en de ~sm o l ten zouten afgevoerd.

Afmeting en van de reactor.

De reactor afmetingen worden:

diameter 2,0 7 meter.

hoogt e van de reactor 4,0 0 meter

aantal koelpijpen 260

diame t e r koelpijpen binnendi a me t er

buit endiameter

25,4 mm

32,0 mm

diameter invoer en uitla at van de ge s mo l t e n zouten 400 mm

diameter ga s i n v oe r 25 mm

-

1

9

-Rege l i ng.

De regeli n g va n de tempeart uu r va n de reacto r is bizond er be

-lan grij k doordat e2n kleine verho g i ng va n de te mpera t uur in

de reacto r een sterke stij0in~ van de re a c t i e sn elh e i d tot ge

-volg

h

e

~

ft

.

Het beste kan de tempera t u u r gehandha af tlw o rde n

doo r te re gel en met de meth y l chl o ri d e toevoer. Stijgt de t em -perat uur , dan kan merl de met h yl c hl or id e toevoer ver min d eren

wa ar do or er minde r silanen gevor md wor d en en minder warm t e

l{

vri j komt ~ De toevoeg ing van de~ zwavelwa t e rs t o f kan jre g el d

, - -

- -

L ~

Liter

atuur .

1.

N

.P .M.

de Wit

.

De directe synthese van methylchl

oorsilanen

in e

en

ge

-fluïdiseerd b

ed .

Diss

.

1960

.

2

. A.J.

H. Voorhoeve

,

de synthese methylchl

oorsilanen

pr

oces

en mechanisme

.

Diss

.

1964

.

-3

.

A

.S .

FoUst

.

e

.a . ,

Principles of Unit Oper

ations

New York

1

9 60.

4

.

L

.

Wender and G

.T .

Cooper

.

A

.I . C

h. E.

J

ounaal, 2

,

248

(1

9 56).

5

.

F

.A .

Zenz and D

.F.

Othmer

,

Fluid

jzation

an

d

fluidpartic

les

system

.

London 1960

.

6

.

Wärme Atlas

: 7

A2, E 63

.

7

.

H

.A .

Vreeden

bürg ,

J

.

Appl

.

Chem

.(Lond on )

~

S

uppl . 1, S

26

(1

952).

8

.

Perry J

.H .

Chemi

cal

Engineers

Handbook

.

4e

.

druk

.

9

.

S

.

Fordham

,

Silicones, London 1960

.

1

0. L

.

Eromley and

C.

Wilke

.

Ind

.

Eng

. C

hem. 4

3 1

64 1

(1

9 51 ).

11.

C

.

van He

erden ,

A

.P .P .

Nobel and D

.W .

van Krevelen

.

. I

, I

. I

SILl',~', -YJF ...6r;..·.~::_.~,:;f D== CON TAc n~AS S A ( 8 -- - -8- -- -"<rACT0'· voo r de ber eidlnl22.!.!.... '( -) "ëTf-l;LS IL -":~ . ~I""" .., _ , -1-"•.~ .•

:--

-

-

A

I.

A

-

-

- -

--- 1.80, _ . ...

1..

:

1 •• " I t !

J

.

)

"ETI-'YLCHLORIDE ZWAVELWATERSTOF l-.-=J---C1r:r---_ -l---- -MC

I

I

• I i

I

I, I . I

I

I TC- - - , I TC- - - - r rilT TC- - - r 1ïlll·U TC-- --rr ., , koel~iddel'

Samenvatting van de ontwerp-reactor voor de bereiding van dimethyldichloor silanen met behulp van Flul'd- bed.

De reactor is ontworpen voor de productie van 625 kg dimethyldichloorsilanen per uur.

De reactieomstandigheden zijn: temperatuur

druk

3000 C (geregeld op lOC nauwkeurig) 8 bar

reactiesnelheid 0,14 kg CH

3Cl/kg Si, uur

hoeveelheid contactmassa in de reactor bedraagt 5250 kg, terwijl de gemiddelde samenstelling 83% Si en 17% Cu is, de dichtheid 3,5 . 103 kg/m3 en een deeltjesgrootte van gemiddeld 70 à 75

fl-

diameter

gasdoorvoersnelheid is 27,5 . 10-2 kg CH

3Cl/m

2 sec porositeit van het flul'd-bed bij deze gassnelheid is 0,81 de diameter van de reactor wordt 2, 07 meter en de bedhoogte 2,60 meter.

De warmteontwikkeling in de reactor bedraagt 565.000 J/sec. De warmte wordt afgevoe rd via de wand van de reactor en met behulp van ribpijpen in het bed van de reactor, respectievelijk 76.000 J/sec en 489.000 J/sec.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt van de koelpijpen is 345 J/m2 sec 0 C.

Het warmte wisselende oppervlak is 71 m ,2 d.w. z , 260

rib-\

pijpen van 32 mm buiten diameter en 25,4 mm binnen diameter, voorzien van ribben van 17 mm lengte en 0,9 mm breedte.

De warmteafvoer vindt plaats met 940 ton gesmolten zout per uur. De gesmolten zouten hebben een intree temperatuur van 2720 C en een uittree temperatuur van 2860

c.

2.

Wij hebben de gasdoorvoer snelheid 4 à 5 rn aa l de rnini.rn urn flutdisatiesnelheid g enomen, Modelproeven op het lab zullen rn o eten aantonen wat de beste gasdoorvoersnelheid is OITl een

goed geflul'diseerd bed te krijgen, waarin verticale koelpijpen m et ribben opgesteld zijn.

Belangrijk is tevens wat de rna xi.rna l e gasdoorvoersnelheid zal zijn, zonder dat al het gas langs de pijpen naar boven gaat st r orn en.

Uit de berekeningen bleek, dat de uitgeputte deeltjes ongeveer een di arn e te r behouden van g em idde ld

56f'.

De deeltjes zullen bij een gassnelheid van 4 à 5 rn a a.I de rninirriurn flul'disatie-snelheid echter kleiner m o et en zijn dan I

7jJ..

De c orrta.c trn a s sa blijft g ern.i.dd e Id 23 uur in de reactor voordat het uitgeput is. We zullen rno e te n nagaan in hoeverre de deeltjes voldoende vergruizen, zodat de vergruisde deeltjes voldoende klein worden, OITl door de g a s st r oom m e eg evo e r d te worden.

Indien de deeltjes gedurende de 23 uur aanzienlijk vergruizen, zal de g emidd e ld e deeltjesgrootte ook kleiner worden dan

70 à 75~.

Modelproeven zullen een optirn urn rrio et e.n aangeven voor de

gas-doorvoersnelheid waarbij goede flul'disatie optreedt en de deeltjes die uitgeput zijn afgevoerd zullen worden.