Verslag behorende bij het processchema: Zwavelzuur

Verslag behorende bij het processchema

van

...T

tf·

I···.22.·(?··L..

~

-

.

onderwe rp:

...b

..

~d..~

.

adres: datum: .2./

I~.

;;

I

..

I _• Inleidi ng blz. 1•

11. Mogelijke bereidingswijzen

_"

1 t .m .4-111. Keuze van het proces

_"

4-IV. Keuze van de gr onds t of 11 4-V

.

Grootte van de produkten 11 ₅

VI. Plaats van de fabriek n ₅

VII. Besch rijving van het proces n ₆ ti

_f

VIII,Berekeningen : TABELLEN. 11 ₁₀

A

.

Droogt oren n ₁₀ B. Compressor n ₁₁

c.

Stoomketel na ov en n ₁₂ n

14-D

.

Reaktor 11 _14- n ₂₃ E. Ov er v er hi t t er en E-c onomi s er 11 ₂₃ 11

24-F.

Warmtewisselaar voor oleumtoren 11 ₂₅ 11 ₂₆ G. Ol eumto r en n ₂₇ 11 ₃₀ H. Absorptietoren n ₃₁ 11 34-I . Tf!nk voor

98

,810

zwavelzuur n 34-J. Regenkoeler voor oleum -circulatiezuur n _34- n ₃₅

K

.

Pompen 11 ₃₅ 11 ₃₆

L. Stofbalans ove r de

gehele fabriek ti ₃₆

..

IX• Literatuurlijst. •

I

..

t

"

..

- - - --

-S A ME N V A T 1 I NG.

In dit verslag wordt de berei~ing van zwavelzuur besproken.

Uit de p~~ e S $en, die voor deze bereiding mogelijk zijn, wordt het kontaktproces gekozen. Als grondstof wordt vloeibare zwavel gebruikt. De massa - en warmtestrorren in het proces worden

berekend. Ook de dimensies van de gebru$kte apparaten wordt bepaald.

De in dit verslag berekende fabriek heeft een capaciteit van

"

I . Inleiding.

Zwavelzuur is een van de belangrij kste chemicaliên, die

ge-maakt worden.

Bij vele processen vindt het zwavelzuur toepassing. Men heeft

zelfs lange tijd het zwavelzuurverbruik in een land als barometer

voor de welvaart in dat land beschouwd.

De superfosfaat - en ammoniumsulfa at industrie zijn de

belang-rijkste gebr u i kers van zwavelz uur.

Daarnaast vindt het toepa ssing in de textielindustrie, bij het

beitsen va n metalen, bi j de bere i di ng van kl eu r s t off en, als

accuzuur enz.

Een bel angrijk deel van de zwave l zuu r pro du kt i e werd tot voor

enkele jare n gel ed en gebruikt voor de aardolie zuivering, mear

sinds de invoering van sele cti ev e hydrog enering van de zwavel

, is hier het zwave lzuur ov er bodig gewor d en.

~€~~vw~ De procentuele afname va n zwavel zuu r door de hi er bov en genoemde

industrieên war~de jar en '50 - ' 55 : (lit. 1,2.)

---U.S .A . Engeland

w

.

Duitsland. Su perfo s f a a t 27~

23

10

25

10

Ammoniumsulfaat 16% 1370 30ólo Met a a l b ei t s en

7

°

10

5

,5

10

l r jo Textielindustrie

51

0

1510 16~ Aardoliezuivering \1 170

₃

₁₀

_~p

'w

'h» '10_,.,l.l..n:J..L.._'"-f (Ta b el 1 1 ('>

Deze drie landen maken meer dan 5ü~ van de ~!8rel dprodukt i e.

11. Mogel ijk e berèiding swi j z en.

De berei ding van zwav elzuu r kan in drie ge deel t en gesplitst

(Tabel 2 )

•

..

2.

a. Bereiding van zwaveldi oxide.

b. Oxi dat i e van zwaveldi oxide tot zwaveltrioxide.

c. Absorptie van zwaveltrioxide in water•

ad.a . Ber ei ding van zwav el diox i d e.

Voor de ber~tding van zwavel di oxi de kan van versc hei dene gr on d

-stof fe n wor den uitgegaa n .

Een ov erz i cht van de gebr u ikt e gr onds t of fen en de mate, wa arin

zij gebr u i kt wer den in 1956, wordt geg ev en in tabel 2.( lit.3 ).

Grondstof U.S.A . Duitsland Japan E,uge1and

Zwavel 8010 36°70 Pyriet 1010 (7710) 9010 2910 \ / Andere sulfidisc he

'

--

i erts en 5-610 1510 1010 810 Sulfaten 510 1110

•

Andere gr onds t of f en

4-

5

6 /0 ~1o 1610 \ I I" rt'

"I' '

t

.J

f, , (h..r-" ~"}~i\(ttL r,tnv i0wt,';(,.l.\.V', . (

,.) Af'v -/..v.,,, . v t .' '. ". . .'

De keuze van de gr onds t off en wer d en

w~~

d~

t

{~~

'~

/~~

1;

(

:

f

:~

L~:~:~~

~

'

·".(!b.~\

riyk deel bepaald door het al of niet aanwezig zijn van een

gro nds t ofbro n in het eigen l a nd . Door de grot e zwavelvoorkomens

in Amerika wordt daar voor nameli j k dit zwavel al s gron ds to f

gebr uikt , t erwijl men in Eu ro pa voornamelijk aangewezen was op

pyriet als gr on ds t of . Doordat nieuwe zwavelvindpl aatsen ontdekt

werden in Mexico en Polen en door de winning van zwav el uit

het aardgas van le Lacq (Frankrijk) , werd het aanbod van zwavel

st er k vergro ot, wa ardoor de laatste tijd ook in Europa steeds

meer zwavel als gr ond s to f voor de zwavelzuurproduktie wordt

gebruikt .

Do ;r roosting van pyriet verkri jgt men zwaveldioxide en ferrioxide.

4FeS2 j' llü2 "'7' 2Fe2ü3 r 8S02 ï QKca l .

Deze roosting wordt ui tg evo er d i n zgn. etageovens.

Het erts wordt bov en in de ove n gevo er d en komt er via etages in de

ov en, onder uit. De lucht komt ond er in de ov en oi nnen, 0t;-,-'wijl

I

I~~ - I t ,

vNV).~JI',.,,,<:.I...t'f-{.-..~"b}".,

HeIJ Uf"..La ngr i j ks t e na deel van het gebr u i k van pyr i et als gro nd s tof

is de verontreiniging van het zwaveldioxide-bevattende gasmeng

-sel. Deze verontreinigingen ( vnl, arseenverbindingen ) zuuuer:

ue katalysator vergiftigen, zodat een grondige reiniging van het

gas nodig is.

Bij het gebru i k van zwav el als gr on ds t of wordt het zwaveldioxide

houdende gas niet verontreinigd, zodat de zuivering achterwege

kan blijven. Bov en di en is de ov en, waarin he t zwavel verbrand

wor dt veel eenvoudiger dan een et age- ov en.

ad.b~. De oxidatie van zwav el dioxi d e kan op twee verschillende

manieren tot stand komen.

1. Volgens het lodenkamerproces.

2. Volg ens het contactproces.

ad.l. De zuurstofoverdracht bij deze oxidatie vindt plaats door

middel van nitreuze dampen.

S02 +N02 ~ S03 TH20 _~ 2NO+ 0₂ ~ NO+-S03 H2S04 2N02

Sinds de opkomst van het kontaktproces is het belang van het

l odenkamerpro ces sterk achteruitgega an.

De voornaamste nadelen van dit proces zijn : ( lito 4 ).

1. Het geproduc eerde zwavelzuur is verdund en meestal

niet geh e el zuiver.

2. De capacite it en van een lodenkamerfabriek per

ruimte eenheid is kl ei n er als~en kontaktfabriek.

3. De bouwkosten van een lodenkamerfabriek zijn hoger

dan van een kontaktfabriek.

4. De lodenkamerfabriek is duurder in het onderhrud

dan de kontakt fabriek.

Het is om bovengenoemde r ed en en dUlde!ijk, dat de bijdrage van

het lodenkamerproces in de zwav elzuurproduktie sterk vermilinderd

is.

( In 1910 -

8

oî

,

in 1930

7

3

î,

in 1950 - 20~, in 1958 - 15î )

(lit. 5 )

De laatste jaren is ge en enkele fabriek volgens het lodenkamer

kat.

~

Als katalysator kan platina of vanadiumpentoxide gebruikt word en . De voor - en nadelen van de platina - of de vanadiumkatalysator zijn:

Een vanadiumkatalysator is min de r gev oel i g voor vergiftiging

en is go edkop er . Er is nu echter een grotere overmaat zuurstof

verei st, terwijl een lagere conversie verkregen wordt.

Platina bezit een veel gro t e r e katalysatische aktiviteit en is aktief over een gr ot er t emperatuursgebied, het is echter bijzonder duur.

Een nadeel van een vanadiumkatalysator is, dat zij niet gerege -nereerd kan worden. De bereiding echter van een nieuwe vanadium-katalysator is simpel in vergelij king met de platina - asbest -katalysator.

In bijna alle fabrieken, die de laatste jaren gebouwd zijn, is de

voorkeur geg ev en aan de vana diumkatalysator.

De levensduur van een vanadiumkatalysator is van twee tot acht jaar. Hij hangt vooral af van de thermis che en mechanische bestendigheid vm de drager.

r

lito

6

,7 .) .

~. Keuze van het pr oc e s .

Voor dit schema werd het kontaktproces verkozen boven het loden-kamerproces . De redenen, die tot deze keuze hebben geleid zijn in het bovenstaande uitvoerig besproken.

Als katalysator voor de oxidatie van zwaveldioxide tot zwavel -trioxide werd vanadiumpentoxide verkozen boven een platina -katalysator .

Hoewel op de gev o el i g he i d van de platinakatalysator voor vergif -tiging misschien teveel nadruk wordt ge l e~d. wordt t och algemeen

in de industrie de vanadi umkatal ysat or voordeliger geacht . IV. Keuze van de gr onds t of .

Omdat nu ook in Europa gro t e hoeveelheden zuiver zwavel worden

gepr odu c e er d ( le Lacq, Fra nkr i j k ) is het zwavel als gro nds t of voor dit schema van de zwavelzuur bereiding geko z en. Het gr oo t s t e voordeel van het gebr u i k van zwavel als gr on ds t of is de

een-voudige uitvoering van het proces, waardoor de kosten voor het bouwen van de fabriek ongev eer twee maal zo laQg zijn, als

• _{een eenheid st}Er is op het ogenblik_{eeds verder op te}een tendenz aanwezi_{voeren. Fig}g _uurom de_{1 la}capa ci tei t van_{at zien , de}

kosten per ton lüO~ zwavelzuur als functie van de ca pac i t eit van een een h eid per dag.

S~:;: 'î... ·· :::: . -I, .. ,: : UiLil •:tL ..

f

iji

~

:

:

~ f~n

:::: :

<

1 1: : ) :

:!y

r

;

I ':: !: ::: ... :

ili

~-jl).iil t- ~±t ~~:'! ,! ~:I::·. :1::( lIQ~: 1:. .. ~ . .. ,

!

tl~; :~ :~-=:::: : - .. '1' . : ..:n: ,I '1 '11 :II! ~ c" " .. , , , ,ti l I.I • I .., ....~: .: :.lt~t:~.±-. ... . ,. ._. 11;.I"_j "

'I'

_: /1:· , 1 - 1 - - -It!·::1. ':: : ' . ', oo..:

In Amerika worden fabrieken gebouwd met een nr odu kt i e tot 500 ton oer dag. In Nederland is een middelgrote fabri ek van

ongeveer 200 ton per dag waarschijnlijk, economis ch gezien ,

het gunstigst .

VO:1r het berekenen van de fabriek voor dit schema is uitgegaan van een capic i t ei t van

1

8u

ton per dag, t endjl di~ is ber ek en d

op lOO~ zwav elzuur .

De jaarproduktie is dan: 60.000,ton, lOO~ zwavelzuur.

VI. Plaa ts van de fabriek .

Goede aan - en afvoermogelijkheden van grondstof, resp. produkt alsmede de aanwezigheid van koelwater, zijn de belangrijkste

ei sen , die aan de plaatswaar een zwav elzuurfabriek geve st ig d wordt,

geste l d moeten wor d en.

Vaak wordt een zwavelzuurfabrie k gebouwd in de nabijheid van

" ' "

-chemische industrieën, die het zwavelzuur verder verwerk en .

In Nederlan d zou Zuid - Limburg, door de aanwezighei d va n de

Staatsmijnen en de ligging bi j de Maas een geschikte plaats voor de fabriek zijn. Ook het Botlekgebied voldoet aan de eisen, die aan de plaats van een zwavelzuurfabriek ge s t el d worden.

\' h "

- - - - -- - -

-6.

--)

VII. Beschrijving van het proces. (lit. ~O,ll .) , j "',./

' L.{.t1,..,..tM{"".,t ~{A,w.U

1.:(

Zoals in het bovenstaande al vermeld is, wordt

i~

dit Jchema

mitgegaan van gesmolten zwavel al s grondstof. Deze fabrieken

worden in het Engels " hot gas" of "rawgasplants" genoemd.

Zij worden bidna geheel geconstrueerd van sta al, ijzer, en steen.

Er is geen l ood vereist, omdat Rr alleen stehk geconcentreerd

zwavelzuur wordt gemaakt. De meeste fabrieken worden in het open

lucht gebo uwd , dus zonder gebouwen .

De vloeibare zwavel wordt bij een temperatuur van ongeveer

1500C gefiltreerd in een zgn. Funda filter.

Dit filter bestaat uit een aantal schotels, die bevestigd zijn

~ aan een holle as. Als het fi l t er gevuld is, wordt de as aan

het dra~ien gebracht.

De verontreinigingen worden naar buiten geslingerd. Ond er in het

filter bevindt zich een aftapkraan, waar deze verontreinigingen

verwijderd kunnen worden. De gezuiverde zwavel stroomt via

de holle as naar een betonnen voorraadbak.

Het filter is 2,50 m hoog en het heeft een diameter van l ,lOm.

Voor de temperatuur werd l500C _{gekozen, omdat zwavelbij die}

temperatuur de laGgste viskositeit heeft. ( lit 12 ).

Om het filter bevindt zich een stoommantel om de zwavel op de

juiste temperatuur te houden. De zwavel in de betonnen voorraad

-bak, wordt door buizen, waardoor stoom geleid wor dt , vloeibaar

gehouden. De voorraadbak ligt voor een deel in de grond

ver-zonken.

Uit deze bak wordt de zwavel door middel van een verticale

centrifugaal pomp naar de zwavelverbrandingsoven gevoerd.

Per seconde wor dt 0, 72 kg zwavel in de oven gepompt .

Droogtoren.

Door middel ~an een compressor, die achter de droogtoren

ge-plaatst is, wordt lucht de toren ingezogen. Deze lucht wordt

gedroogd in tegenstroom met 98,8~ zwavelzuur.

De stalen toren, die bekleed is met zuurpestendige steen, is

gevuld met drie inches keramische ringen. Door de lucht te

drogen, voorkomt me~è~sie en hoeft men geen lood te gebruiken.

Het zwavelzuur wordt halverwege de toren ingevoerd, zodat het

meegesleurde zwavelzuur in de bovenst helft van de toren weer

afgescheiden kan worden. Het zuur, dat de toren verlaat, heeft

een sterkte van

9

7 , 710 .

De toren heeft een hoogte van 8,U0 m en een diameter van 3,50 m •

(7

"

\

_I 0_.cr\'~i_/,_, *t . 1),"" ,- !' 'J , . .}/G'· -r,j'-' \ti} .l "I., '

'

(

I,

7

.

Compressor.

De ~o mp r e s s or bevindt zi ch achter de droogtoren.

~e hoeveelheid lucht, die per second e in de verbranding skamer

wordt ge bl a z en is

7

,

23

kg • De opv o er hoogt e moet 2,1 ata zijn.

VOa:' een dergelijk grote volumestroom is een " Roots Blower "

de be s t e compressor.

Verbrandingskamer .

De ve r t ic a l e stalen oven is met isolatie - en vuu r v aste st e e n

bekl e ed. De zwavel verbrandt op een roos t er van vuu r v a s t e steen.

De lu cht en zwavel worden boven in de oven gevoerd. De verbran

dings-gassen gaan ond er uit de oven, bij een temperatuur van 850oC.

Het gas bevat 910 zwaveldioxide.

De oven is 8,00 m hoog en heeft een diameter van 4,00 m • (1

Stoomketel.

De verbrandings gassen wor den in een' vlampijpketel afgekoeld

tot 410oC. De stoom, die gemaakt ~~dt, heeft een temperatuur van

210oC. De da arbij behorende druk is 19,5 ata.

Een ged e el t e van het ga s meng s el kan vanaf de ov en via een "by- pa s stl

direkt na0r het gasfilter gevoerd worden.

Hierdoor is de temperatuur van het ga s mengs el dat de reaktor ingaat beter te regelen. ~j7'

Gasfilter .

Na dat het gas tot 410 0C is afgekoeld , ~wrdt het mengsel door een gas~: fi+ter gel ei d om ev ent u el e stof -en asr e s t en te verw~deren.

Het filter bestaat uit een gei s olee r d stalen vat, waarin zich

een halve meter dikke laag gebr ok en vuurvaste steen bev indt .

De diameter van het filter is 5 mete r .

Het ga s passeert het filter van boven nadr beneden. Het fil ter

wordt gewoonl i j k een maal per jaar schoong emactkt.

Reaktor.

Het zwaveldioxid e - bevattende gasmengsel komt nu boven in de re a kt or. De reaktor bevat vier l ag en katalysatormassa.

Tussen de eerste en tweede laag wor dt het gas in een stoomketel

afgekoeld van 6u5°C tot 448°C. In deze vlampijpketel wordt stoom gemaakt van 22UoC.

Tussen de tweede en dETde laag en tussen de derde en vierde laag wordt het gasmengsel afgek oeld, door inleiden van koude lucht.

Voor niet te gr ot e eenheden is 30eling door inblaz en van koud e

lucht de goedkoopste oplossing.

q/{/'iv(.t~ t,.

r

I

I

8

.

De voordelen van het inblazen van koude lucht , zlJn vooral

de goede regelbaarheid en de besparing van gr ot e koeloppervlak

-ken ( lit. 13 ).

Een nadeel van deze werkwijze is de vermindering van het zwavel

-trioxide percentage in het gasmengsel. Tevens wordt de berek

e-ning van de optirrale temperatuur door de gewijzigde gas samen

-stelling bemoeilijkt. De katalysatormassa bestaat uit een mengsel

vanadiumpentoxide, vanadiumsulfaat en natriumsulfaat, mèt sili

ca-gel als drager. ( lit. 14. ) .

In de reaktor wor dt

97

,7

î

van het zwaveldioxide omgezet in

zwaveltrioxide.

Oververhitter en voedingswatervoorwarmer (economiser) .

Het reaktiegas wordt afgek oeld in een warmtewisselaar, die uit een

oververhitter en een economiser bestaat.

In de oververhitter wordt het ga s af g eko el d van 435°C tot 25UoC.

Afgewerkte stoom van 135°C afkomstig uit de turbines neemt

deze warmte op en krijgt een temperatuur van 21üoC.

Het zwaveltrioxide houdmde ga s wordt nu in de economi ser verder

afgekoeld tot l500C. Het voedin§swater voor de stoomketels

wordt verwarmd van 20°C tot 2UO C.

Het gas wordt nu nog verder afgekoeld tot l500C in een warmte

-wisselaar met pijpenbundel .

De warmte die hierbij afg egeven wordt, is niet meer bruikbaar,

Het koelwater, dat door de pij nen st roo mt stijgt in temperatuur

van 200 _{tot 50}0C_. \'\Y~'"li'\" (,l." ""')'\o _'Vlr" w~·,k\_..Vl'.I("I\.i.{~.:

Het gas is nu ver genoeg afgekoeld om de oleumtoren ingeleid

te worden. De oleumtoren is van staal gemaakt en heeft geen

bekleding. Hij is gevuld met Raschig ringen van twee inches .

Boven in de toren wordt 2010 oleum gesproeid, de temperatuur hiervan

, is 65°C.

Vier en vijftig percent van het inkomende zwaveltrioxide wordt door

het oleum geabsorbeerd.

Het olium, dat onder uit de toren komt wordt mil in een meng er

gepompt. Hier wordt door t oevoeging van water de sterkte van het

oleum wÖer op 20î gebracht. Na deze menger wordt het oleum

tot 65 C afgekoeld in een regenkoeler. De regenkoeler bestaan

uit extra zware stalen pijpen. Het gr oot s t e deel wordt t erug

in de oleumtoren gevoerd. Het restant w~dt,nadat het in een

regenkoeler tot 30°C is afgekce ld als product, na ar opslagtanks

gepompt . Er wordt per seconde 1, lU5kg oleum als produkt

Absorptietoren voor 98,8~ zwavelzuur.

Het gas uit de oleumtoren wordt onder in de absorptietoren

voor 98,8~ zwavelzu "r geleid. Deze absorptietoren heeft dezelfde konstruktie als de droogtoren. T"H.9-0 is gevul d met Ras ch.i.g ringen van drie inches. Het ciruulatiezuur bestaat uit 98,8~ zwavel-zuur. Het wordt ongeveer halverwege de toren binnengeleid,

zodat het meetsleurde zwavelzuur in het bovenste deel van de kolom afgescheiden kan worden van het resterende gas, dat via de

schoorsteen afgevoerd wordt. Van het inkomende zwaveltrioxide wordt 99,8~ geabsorbeerd.

Het aflopende zuur wordt, evenals het zuur afkomstig uit de droogtoren, naar een tank geleid. Door toevoeging van water wordt de sterkte van het zuur in de tank op

98,8î

gehomden. De temperatuur in de tank is

76,3°C.

Voordat het zuur naar de droogtoren en absorptie gevoerd wordt, gaan de beide stromen door een aparte regenkoeler, waarbij het zwavelzuur afgekoeld wordt tot

50

0 respec.

65°C

.

A+s 'pr odux t wordt 0,638 kg, 98,8~ zwavelzuur per seconde uit de tank afgevoerd.

Voordat het naar de voorraadtanks gevoerd wordt~ passeert het een regenkoeler, waardo or de temperatuur tot 30 C wordt terug-gebracht.

I f>. "

-~-I

I

.

I

i

---.

l

3,00 5,70 12,50 H2 S04 Absorp -tie -toren .-..-...._..,...

_----'"

..

--

...~--... O,50 6kg lucht e 4 trap I

I

I

('

i

-

-- l

I I I \' \c

I

l

I I

.r

1LOl

Berekeningen :

A. Droogtoren.

Omdat er maximaal 150 mg water per m3 lu ch t aanwezig mag zi jn (lit. 10) wordt de waterdamp door mi ddel van 98,8~ zwa v el zu ur gea bsorbeerd .

Voor de verbranding van zwavel is

7,23

kg lu~ht per seconde

nodig om na de verbranding negen percent zwav el di ox i de in het

verbrandingsga s te hebben.

Voor afkoeling van het gasmen gs el in de reaktor is ~4: 7 6 kg lucht nodig.

Per seconde moet dus

8

,7

06

kg lucht ontdaan worden Vffi water.

Als de hoeveelheid vocht van lucht

13,85

rog pe r gr a m lucht bevat ,

dan is de hoeveelheid geabsorbeerd water pe r seconde:

120

gram.

De hoeveelheid vocht in de lucht, die de toren verlaat i s nog 100 mg per kg lucht.

Het 98,8~ zwav,elzuur wrr dt in de droogtoren verdund tot 97,7~ . De temperatuur van het inkomende zuur is 50oC.

1. Berekening van de hoeveelheid circulatiezuur per seconde.

Stel W =hoeveelheid 98,8~ zwavelzuur, die per se cond e in de toren

gesproeid wor dt in

la.

Door nu een waterbalans ov er de droogtoren op te stellen is W te berekenen. 0,01 2 W ~ waterhoeveel -heid in inko -mend zuur. - 0,023(W

_.

+ 0,1 20) - ' waterhoeveel-heid in uit-gaand zuur. - 0,120

---

Opg enome n hoeveelheids -water . 0,011 W

=

0,123 W . .

11

,19

kg/sec .

De massastroom uit tie toren is dus :

11

,19 +0 ,12

=

11

,31

kg/se c .

2. Berekening van de temperatuur van bet uitga ande zuur.

Allereerst wordt een warmtebalans over de t oren opgesteld .

De gebruikte enthalpieên van het systeem water - zwavelzuur

zijn van Heds t r öm en Tjus. ( lito 15)

Enthalpieën van de inv,aande stromen t .o .v .

o

Oe

:

Lucht van 15°C 8,71 . 0,239. 15

₌

26,4 Kcal/ se c

Condenseren van de 0,1 20. 580,4

₌

_69,8

_"

waterdamp

water ( 30 °C) 0,120. 1. 30

-

3,6

_"

98,810 zuur van 50°C 11,19 (211 - 195)

-

178,8

_"

Verdunning van zuur _(11.31•213,7-11 ,19 .212) = 40,0

_"

van 98,8-97 ,7

kcal/

318,6 sec .

Enthalpieën van de uitgaande stroom t .o .v . 0° C:

Lucht van 50°C 8,71. 0, 239.50 97,7~ zuur van 50°C 11,31 {21 3,7-1 97,3 } Kcal/ 87,8 sec . 186 " 273,8 Kcal/_{sec .}

De warmte, die ~ door het zuur wordt opgenomen is dus:

8 8 Kcal/

31 8, 6 - 273,

=

44, sec. Qw

=

m, Co. ~ T

44,8 = 11,31.0,358. 6. T

6 T = 11,050c

De temperatuur van het zuur uit de droogtoren is dus:

50°.,. 11 ,05<:> = 61,050C. ';,;;

B

.

Berekening van de temperatuur van de lucht, die uit de

compressor komt.

Bij een isp.nt r opi s che compressi e gel dt de volgende vergelijking :

waarin T

=

temp. van het ingaande gas .

Pl= druk van de zuigzijde

T2

=

temp. van het uitgaande gas .

P2~ druk aan perszij de .

M is functie van K(. cp ) en

Cv

de volume stroom . M

=

0,4 P2 is 2,35 ata

2 ( 2,25 )0,4 dus : _T2 = 93. 1 =

(

C. Berekening van de stoomketel na de zwavelverbranding soven . Het verbrandingsgas wordt afgek oeld van 850°C tot 410°C.

De warmte, die hierbij wordt afgestaan, wordt gebruikt om stoom van 210°C te maken.

6.

t., =

640

't

.

..

~en« r

1/,

ftss

T= 410oe..

De samen s t el l i ng van het af te koelen gas is: 1 44 kg 302, / sec .

0,950kg 02/ sec . 5,556kg N2/ sec .

De gemiddelde soortelijke wa r mt en zijn: (lit 16) voor 302 0,1 78 Kcal/kg

O

2 0,238 Kcal/kg N

2 0,258 Kcal/kg

De warmte, die door het gasmengs el, bij het afkoelen tot 410°C, wordt afgestaan is dus:

~

=

Qm • Cp •IJ. T •

I

Qw - 1,44 .0,178 (850-410 )+ 0,950. 0,238 .440 +5 ,556.0,258•440 - 843 Kcat s e l

Voor de berekening van het benodigde warmte wisselend opper-vlak wordt de formule gebruikt:

I waarin: A - oppervlak in m2• Qw

=

warmtestroom in W. u

=

totale warmteoverdrachtscoëfficient in W/m2 o

_c

_.

(AT )log.gem ." ~t I - b.t 2 log ~t l At l

)

t/z:

.;:2..,.L.,

Lt

t[

-

-

+- 1/ 0 ',)

waarin:b.tI

=

temp. verschil ketel.

temp. verschil de ketel.

aan het ene eind van de

aan het andere eind van

2 m • 310

=

35300 114

=

A

=

3530000 30.980

tv

De pijpen, die gebruikt worden hebben een inwendige diamet er van 100 mm en een uitwendige diameter van IlO mmo 2 Het inwendige oppervlak van de pijp per meter is dan 0,314 m

/

m.

De totale lengte van de pijp is dus:

987 m pijp.

=

Als Het 310 3100 = 0,314 3,14

lengte voor é~n pijp wordt aantal pijpen dat nodig is

6 maangenomen.

wordt dan:

=

165 pijpen.

Er

geldt nu:

Dl - m.t .

waarin - de afstand tussen de middelpunten van de buitenste buizen is.

=

de steek.

- constante, die afhankelijk is van hEt

I

I

.

I

t

=

1,3 X diameter van een pi j p . dus t = 1,3X 1 10 = 143 mmo m

=

13,3 dus: Dl

=

13,3 • 143

=

1900 mmo

Voor de berekening van de totale diameter moet hierbij

opge-teld wor d en : 2 . ~ pijp

=

2 •

i

t

=

2.100. 110 mm 200 mm 0 = 2210mm

Om een stoomruimte te krij g en wor dt een diameter voor de ketel

genomen van 2,50 meter.

De lengte van de stoomketel zonder bemets eling is dus

6

meter.

De diameter is dus (zonder stoomdom) 2,50 meter.

Opmerking :

De berekening van de stoomk etel tus s en de eers t e en tweede trap

van de reaktor is gehe el analoog aan de hierboven genoemd e.

D.Berekening van de reaktor.

1. Inleiding

In de reaktor wor dt het zwav el di oxi d e geoxide er d tot zwa~el­

trioxide met behulp van een va nadi u mka t a l y s at or .

2S0 -t

°

2S0 + 22, 98 Kcal/mol S0 3

2 2 ~ 3

----

-( lit.17)

De reaktie kan in drie stappen verdeeld wor den (lit.18) .

1. Snelle chemisorptie va n zwaveldioxide.

2-S02+ _2e ~ S0 2

2. Langzame ox i da t ie van zwaveldioxide tot zwaveltrioxide.

02+ S02

2-_~~

S0 3 +- 01

--3. Snelle descrptie.

02.-- I 2

- > 2" 02

+

e

2e orde reaktie.

Bij reaktie (2) gel dt voor de vormi ng s s ne lhe i d van het

zwaveltrioxide.

waarin A ~ conc entratie van het

SO gea d s or b e e r d eS02

.cl!

rJ

.·

t.4

t1/.-v<,,"v óI· (

I.t

.~

.-

"'

.

De conc ~ritratie van het met pO!,$> dus: rl -_ K_{1 ·} p_S02·O,) pS0₀₂2 _• ~eads o rb e erde zwaveldioxide is evenredig

Vo~)r de "ov erall reaktiesnel heid" gel dt nu:

l _{n kl}

-

_-

-31.0 00

₊

12,07

RT

In k 2

-

_-

- 53.60 0 22,75

+

RT

waarbij r uitgedrukt is in molen omg e z et t e S02 gr a mka t a l y s a t or . s e c . uit kl en k 2 volgt nu Kp: 22.60 0 RT - 10,68.

Bij een adiabatische reaktor zal de t emp e r a t uu r in de lengterichtmng van de reaktor stijgen door de vrij gekomen reaktiewarmte.

Door de hog ere t emperatuur sti jgt de reaktie snelheid,maar het even-wicht ver s c hu i f t naar l inks.

Om nu een zo groot mogelij ke reaktiesn elheid te ver kr ijg en wor dt bij een hoge temp er a t uur gewer kt .

Als bij een bepaa+de omzetting de t~peratuur zo hoog ge s t eg en is, dat het ev enwi cht bere i kt i s , wordt het gas mengs e l afge-koe l d , wa a r na het weer ov er een 3atalysator ge l ei d wor«t.

De reaktor in dit proces bev at vi er katalysatorbedden, waartussen het ga smeng s el telkens gekoeld wor dt .

2, Berekening van de t emp er a tuur als functie van de omzetting. { ~ Lo) De samenst ell ing in ~u~ume

de reaktor binnen komt,is :

zwaveldi oxide

zuurstof

sti kst of

De temperatuur van dit ga s

tJer ce .. ven van het ga smeng s el , dat

9

10

11,9410

79,0610

is 410°C.

De hoeveelheid omgezette zwaveldioxide i s 9)0. X g mol.

De total reaktie wa r mt e is 9,.,0. X.22. 9S0 cal.

De enthalpie van de reaktanten ( per 100 mol totaal is:

80₂

.

.

9;0 • 10,91 ( 410- 18 ) ₌ 3S550 cal. 02 :11, 94 • 7,40 ( 410-1S )

-

_-

34650 cal.

N₂ :79, 0 6

.

7,09 ( 410-18 ) _{= 219500} cal. Totale enthalpie der reaktanten =292700 cal.

Opmerking: Als referentie temperatuur is lSoC genorre n.

T

-

}

H

=

n 291 Cp,dT .

C_p =a +bT +-CT2

- - Voor de waarden van a,b, c, is gebruik gemaakt van Hougen en Watson. (lit .16 ) .

f

(9, 0- 9,Ox )/ 291 [S, 1 2

+

6,S25.10-3

T

-2 ,103 .10-~

T2

J

dT 7 9,0.x

.

~

~

l

[

S.!.

20+ 10, 236.10-3T-3, 156.10-6.~

] dT

'J [

6- 2

J

(11, 94- 4, 5. x) c' 291 6,13 + 2,99 ,10-3T-0,S06 .10-

.

:~

.

-

J

[6

S

- 3

-6

2 ] 79,06 . 291 ,30+ 1, 1 9 , 10 T-O ,345.10 . T dT dT •

De volgende betrekking wordt nu gebruikt:

<) H - Reaktiewarmte of

2..

H kt t

•

::1

I

1 } .: i . I ; 1 ~ ,I I I

'-'

l

!\ I i I, ,.

-

-n

I'

h

I ! .... 41 : - ..: :j : I I

H-t---+--"1:

-

.-+----r-.: I , l I ! ! '1 f---1 I , ! I i I

:

.

I

:

__

1 -I: I

I:·.:

~c\: :.' " j : .. i 1 _. , Î .-:~: -'1-~'t .-.~ -- : t i .:.:.: :I .1' 0 1---- . -I

.

'

I 'I '

Oir

l l l

r:~-I ' I --t I i : . I

--

IT'- l'

! . __J_c. 1 .- I•

j'

,

"

'

(

~

I

~

'

n

t

'

Tr

I-

V

! +~ I ..- :+---" ._, :.T ,_,.,1._ .._. ._ -j --...j. -I r •

17.

Na enig rekenen onts~~at nu de vqf gende betrekking tussen

x en T.

Volgens ealderbank lito 18 ) gel dt voor K :_p

In Kp

₌

22.6uo - 10,68

₌

11300 - 10,68 RT T log Kp

₌

11300 10,68 ₌ 4910 - 4,64 ( 2 ) 2,3T 2,3 -T-waarin

K

_p -t '.' ~

~

'

l

489900 - 645T - 120 • 10-3T2

+

19 • 10-6 T3 x

=

--"""""'-,...--,.(.--9-.a=-7::-:0,.-,-0---:2=-=7=T,..-+--:::-9-.--:;-1-=O~3T::""2r-+----=-2-.~1-0--...6

r...

3 r,...-PS03 . Ct

.5

PS02·P

U~

In ons geval geldt voor Kp:

(1 )

9

,Ox

K

=

100 P 9,0(1-x) 100

v

11,94- 4,5x 100 10x (I-x)

V

11,94-4,5x' ( 3 )

Met behulp van de vergelijking (2) en

(3)

is nu de maximale

temperatuur te berekenen, waarbij een omzetting x bereikt

kan worden.

Hiertoe wordt een bepaalde x aan genomen, dan wordt met

behulp van vergelijking

(3)

de daarbij behorende K berekend.

Met v.ergelijking (2) wc:r dt de temperatuur berekend; waarvoor deze

Kp geldt. De resultaten van deze berekening zijn weergegeven

in grafiek ( 1)

Met behulp van vergelij king (1) wordt nu de temperatuur in de

reaktor br-r-ekend bij een b epaa.lc.d e omzetting x.

De resultaten hiervan worden ook in grafiek (1) weergegeven.

Het snijpunt van de twee krommen,. die door de berekende punten getrokken kunnen worden, geeft de temperatuur en de samenstelling

aan, waarbij het evenwicht bereikt is.

We zien dan, dat bij 605°C en een x van 0,725 het evenwicht

-'

18.

De sa men s t el l i ng in volume percenten van het gasmengsel na de eerste

trap van de reakto r is nu dus:

6.525 Zwavelt rioxide 97 .74

=

6, 7 5~ • Zwaveldioxide Zuurstof Stikstof 2,475 96,74 8,68 96,74 79,06 96,74

=

In gewichtsperuenten Zwavelt rioxide Zwaveldioxide Zuurstof Stikstof wordt de samenstelling: 16,4810 4,9910 8,7710 69,7610

De massastromen na de e' rs t e trap van de reaktor zijn dus:

Zwaveltrioxide 1,31 kg/sec .

Zwaveldioxide 0,40 kg/sec.

Zuurstof 0,70 kg/sec.

St ikstof 5,55 kg/sec.

Het gasmengsel wor dt nm in een stoomketel afgekoeld tot 448°c ,

wa a r na h~t naar de tweede trap van de reaktor geleid wordt .

Berek ning van de katalysator hoeveelheid voor de werste trap

IN de reaktor .

aan katalysator kan berekend worden uit :

Het gewi cht W 17 F

.y

o 1 r dx waarin W -F

=

r

=

gewicht van de katalysator in grammen .

t oevo er S02 in g mole~ per seconde

reaktiesnelheid in g mol omgezette SÜ₂

gram kat .sec.

• _x

=

_{conv ersie•}

-- - - - -- - -- _ . - ~ , tS, :n',1,Fr:,'! ...~, -~ _ t' IJ-i._~I" I . ~I~; :L:

:

.,"

:::

,f: '-, .oF:r=, -::iir:-:-c :I! Ir..:r-: '-'i': : :.... , -.'Tc' r , L~_:,I:~t. _ -··f-':~· __ .~. ... ;-_~:::i .._ r:l~ irz; tUi -- I' I -- - . ' _ :~'.. :_:fS':~: :=: :~:..r Ii~ : : • .. ' .- i -- ! : . . :', •I-:c:- - ':' ,.1: :;-::; 1 .__ _ . - . - ; : : ,. I -. .~...., 1••

.

'

\~

--r·

~t~...

-

.

.,.:--!!~

-.

P-

~'I:'

--r

- ~' -

~ '

~

~

tpc:.=+i 2P:~ ~<

.

.

~

: ~

' --i~ : -i~

f-'!

----

~-~~r" '-

:,

;

i : !,';

1

1

'1: ; i

'-" L::i I::: cc: : .. ! - : -~.~ .. : [..~' j" ", . ,. .-t Ë I . '1 ::1 : .. -- --·4

1.1=

_

t

.o

t

I ' ~~,;_~. '~.,__

-,

--+-r

'-'-+'---1\

1--+---+---1~-F-- -:., _ , I::~ 1-- L i i ~:I~" : :: 1_.. I: .. ::c.

sf'

!~,'_:

~,'.

'e-: -__ -_ .-e -=-..

~,'.:.

=

_

~

f

-

=

~,..',', .

••

t

i .:

~

.,·,. 1L

i':="" '_,'=.:. : ...

;~

':: _ : . I.:::.rr;

:

:~

i.;1!::

:

'~: !~2;:

. : .: ,t. 1'= ':':':_~ ._. --_" ,_{' ..}'-= i" -_{rr:: :}:i'- '1 _ 1,.!. , 'it :!:..1. ,lE j.lt:.::..r Ir: r. . .._ Cl-.. _::::; ~_I o

-

-\'-5"

I

1.

L

i I : . - I: ' - ,, ! ... :" 1[1

miE!

-r--r-

"':' ''

1----'1--- ~-+ e;...;.,i-- b I-è-=-._ . :. ' i.

l

'

t-i---..:·:~' ...=+j:':':': 741.~.;.' jL::i-L='-'.:',' .. . .

.r I; . t e . . , . . • •

I

I

I ' . • : - : , _ : d' Ii:I !ii!!~I

r

1· -- -" .1 . _ ' _ 1 : _ ! I · · :-'-'. r.:

1

i;i r:i' ..r _, " ;r'

L~'

..

:i~:

!

~l. • i I I f :~ ,_ : j: -- ." L ••j. ' ..' :;11 ,.:! :l:i

I

-

1.. -Ii: - - 'f.' . r: -- -'. : t ~: _ . . ~: .~, LtTf ~ - -\oe - ! _~. _.;I -- . ...,..r ',_ I _. O T _ ~. + ._ .

,

_r,

"

_{. .}

I

I

'

.

! - ' ,:;, I" 1:; I

·-;i -- J O ' :ili Iiti kj E: '1 :-1-1 1-. ~. J

1

De reaktiesnelheid r is afhankelijk van de conversie en de temperatuur.

De reaktor wordt nu verdeeld in een groot aantal kleine stukäes ,

waarin de reaktiesnelheid konstant vermndersteld wordt .

In elk van die stukjes wordt de reaktiesnelheid berekend.

Door nu de reciproke waarde van deze berekende reaktiesnelheden

in een grafiek uit een t e zetten, te~en de daarbij behor ende

conversies is de hoeveèlhe id katalysator gra f i s c h te bepalen.

T

erop. ln

.

oe

• Conversie. x Reaktiesn el-heidskonstanten in mol/_{gr.sec .l0}7 k1 k 2 Reaktiesnel -heid r in mol omgezett e 3°₂. 10'/ gr.kat .s e c . 1 _ e

r

.

1

-

5

°

5, 49 4,04 3,10 2,40 1,90 1,57 1,19 1,06 0,83 0,67 0,58 0,52 0,48 0,46 0, 47 0,49 0,91 1,69

11

,6

8,57 6,34 8,60 11,41 15,80 18,2 24,7 32,3 41,6 52,8 63,7 83,8

9

4

_,7

120,5 148 172 193 210 271 212 204 109 59 0,80 1,26 2,00 3,25 5,40 9,5 15,6 25,0 220 40,2 62,0 100 150 240 330 475 560 790 1070 1430 1900 2490 3300 4000 5400 7100 9iOO ₃₅₀ 11500 530 14100 780 17400 1110 22000 1620 27000 2200 33400 3090 35400 3470 0,000 0,037 0.080 0,103 0,142 0,178 0,211 0,24

9

0,287 0,318 0,360 0,397 0,434 0,476 0,515 0,54₆ 0,589

u,93

1 0,655 0,710 0,725 410 420 430 437 447 457 467 477 487 497 507 517 527 537 547 557 567

57

7

583 660 604

In grafiek (2 ) is

-

1

r uitgezet t egen de conversie x.

De hoeveelheid katalysator in de eerste trap van de reaktor is nu:

3

,76

ton

Tweede trap van de reaktor.

De ber ek eni ng van de tweede trap van de reaktor

aan die van de eerste trap. Bij een temperatuur

een conversie van

0

,920

stopt de reaktor.

De hoeveelheid katalysator is

3

,295

ton

is geheel analoog

°

van

.500

C en Stiks t of Zuurstof Zuurstof Stikstof Zwaveldioxide Zwaveldioxide De gassamenstelling Zwaveltrioxide

na de tweede trap wordt in kg/sec .

1

,660

kg/sec.

0

,11.5

kg/sec.

0

,62 6

kg/sec.

5

,556

kg/sec.

In vol umep erc ent en is de samenstelling:

8

,64

10

0

,7510

8

,1510

82

,

.5610

Zwaveltrioxide

Derde trap van de reaktor.

Het gasmengsel uit de tweede trap van de reaktor wordt door

inblazen van lucht van

50°C

afgekoeld tot

4.50

oC

.

Berekening van de afgegeven hoeveelheid warmte van het reaktfue

-mengsel:

zwaveltrioxid Zwaveldioxide Zuurstof

De t otale afge geven warmte do ~ het reaktiemengsel na afkoeling van

5

00

0e tot

450

0e is:

Kcal/

Qw -

9

7

,3

sec.

Deze warmte moet door de koude lucht worden opgenomen.

X

723

{

Qw - J

e

dT •

97

,3 .

323

p

x

=

Hoeveelheid lucht _

0

,970

kg/sec .

De samens t el l i ng van de lucht in gewi chtp ercen t a g es is: Stikstof -

76

,

8

î

Zuurstof -

23

,2i

Er wordt dus bij het reaktiemengsel gevoegd:

76

,8 •

0

,9 7 •

0

,745

kg stikstof per seconde

23,2 •

0

,

97

=

0,223 kg zuurstof per seconde .

De sa men s t el l ing van de ga s s t ro om naar de derde trap en de reakto r

wor dt dus:

Zwaveltrioxide

1

,66

0

kg;.s ec ,

Zwaveldioxide

0,

115

kg/ s ec . Zuurstof

0

,

8

49

kg/ s e c. Stikstof

6

,3

01

kg/sec.

De berekening van de gas st o8m samenstelling uit de derde trap van

de r eaktor en de hoeve el heid katalysator van de derde trap

is dezelfde als die bij de vO Jrgaande trappen is toegepast.

De temperatuur waarbij het ga s uit de derde trap treedt is

45

8° e .

De samens t el l ing van het gasmengsel is dan: Zwaveltrioxide

1

,712

kg/sec.

Zwaveldi oxide

0

,06

0

kg/sec.

Zuurstof

0

,832

kg/sec.

Stikstof

6

,316

kg/sec.

/

Vierde trap van de reaktor.

Voor het ingaan van de vierde trap wordt de gas stoom gekoeld tot 4350C.

De hoeveelheid lucht, die hiervo or nodig is bedraagt 0,506 kg/sec.

De samenstelling van het gas, dat de dierde trap ingaat is nu:

Zwaveltrioxide 1,712kg/sec .

Zwaveldioxide o,060kg/sec.

Zuurstof 0,949kg/sec.

Stikstof 6,705kg/sec.

Omdat de vrijkomende warmte per volume eenheid zo klein is in deze laatste t rap, werd veronder s teld, dat het warmteverlies even groot is als de warmte, die vrijkomt; zodat de temperatuur konstant

blijft.

De Kp blijft dan ook konstant, waardoor de conversie nu op eenvoudige wijze te brr- e k e n e n is.

Als het gas de vierde trap va n de reaktor verlaat is 97,7~

van het zwaveldioxide omgezet tot zwaveltrioxide.

De samenstelling van de gasstoom, die uit de reaktor komt is:

Zwaveltrioxide 1,730kg/sec.

Zwaveldioxide 0, 0 32kg/ s e c.

Zuurstof 0,926kg/sec.

Stikstof kg

6,740 /sec.

De hoeveelheid katalysator in de vierde trap is 4,745 ton.

In het totaal is er dus 14,155 ton katalysator nodig.

Het gewicht aan katalysator per kubieke meter is 600 kg.

De gassnelheid, betrokken op de lege reaktor, is 0,8 meter

per. seconde. m3

De vulurnestroom uit de reaktor is 20,6 /sec.

De diameter van de reaktor is dus:

20,6 I1 D2 4:

'

.

- °

-

,

8

D

-

20,6 • 4 0,8 • 3,14

=

5,7 meter.

Het volume van de katalysator is 14155

=

23,6 m3.

De totale hoogte van het katalysatorbed is 4,13 meter.

Met de benodigde tussenruimten wordt de totale hoogte van de reak-tor 10,50 meter.

E. Berekening van oververhi tter en economiser.

3000

c.

400 C. 6. tI 6 t ₂ (6TJ log.gem. 2

warmte uitwisselend oppervlak in m •

t otale overdra chtscoefficient in :

U. ó T A

=

o

In de oververhitter wor dt het reaktiegas af g e ko el d van 435 C

tot 200oC.

De warmte, die hierbij vrijkomt is 1730 KW.

Als koelmiddel wor dt afgewrrkte stoom van 135°C gebruikt.

Deze stoom wordt verhit tot 2100C.

De stoom wordt door de pijpen geleid.

".~

te

.--l

~:

~~

lOOC.

I :1.10

I

I

~TOO"",

, "'~ T:

'JJ-I

1

'---- - r3"-;:--' t:.

t,

T

1":'IJr.e. Nu geldt de relatie: Qw waa.rin A

=

Qw

=

warmte stroom in watt .

U

=

Watt O---c2_.m

6

T

=

6 t _l - 6 t 2 log ~tll6.t ₂ Voor U wordt 20 genomen ( gas -gas ).

A

-

1730000

₌

1

20.130

De diameter voor de plJpen wor dt 50mm genomen. 2 Het inwendig oppervlak per meter pijp is dan O,1570m

I

m.

De totale lengte aan pijp, die nodi g is, 444 2820 meter.

STel de hoogte van de oververhitter op 7 meter.

De verticale af'st an d tussen twee rrij ennpi jpen is 2.5cmeter Het aantal pijpen boven elkaar is dus : 700 _ 28.

De totale lengte van een pijpsectie is zes2~eter.

Een pijp heeft dus een totale lengte van 6 • 28 : 168 m. Het aantal pijpen dat na ast elkaar ligt is dus:

2820

=

17. 168

De horizontale afstand tussen twee pijpen is 1,3 • ct

-uitw. -1,3 • .57

=

74 mm. De breedt van de oververhitter is dan:

1 7 • 74+ 2 • Y - 19 • 74 = 140 cm. / I ~, -, \ ie." ' '~,,"I

:

4-

--

t._-~

De afmetingen van de oververhitter ziyn dus: H1 0 gte = 7 meter

Lengte

=

6 meter

Breedte: l ,4meter

De warmte, die het reaktiegas afge eft

is 937 KW.

Voor U wordt 40 gekozen (vloeistof-gas ) Na de oververhitter wordt het reaktiegas verder afgekoeld van

2.500C tot 1500C in een economiser.

De oververhitter en de e~onomiser vormen een ge he el (zi e tekening) . Als koelmiddel wordt water van 20°C. gebruikt. Dit wa.ter wordt

verhit tot 2000C. Het water wordt door de pijpen geleid. De diameter van de pijpen i s 39 - 32 mm.

Het oppe

_2vlak

per meter pijp is dan

0,100.5 m

I

m.

~

~

wO

;t

I

I T: 2,oo"c..

I

I

I

!

_!

~

.

_{. k () d W II T i' 1(.}

i

.

T: 2.0"c. _..__ . - - - t - - - - -! I

De berekening van de dimensies is analoog aan die van de over -verhitter.

De hoogte is 7 meter.

Het aantal pijDen na ast elkaar,is 11. De breedt is 75 cm.

De lengte is 6 m.

Tussen economiser en oververhitter bevindt zich een sta~an wand. De totale afmetingen van economiser en oververhitter worden dus:

m

+

lm gasruimte

=

Sm. inlaat is 1,40m . uitlaat is 1,08m. m. 7 6 Breedte 2,50m . De diameter van de De diameter van de Hoogte Diepte

F. Berekening warmtewisselaar voor oleumtoren.

o Het gasmengsel wordt in deze warmtewisselaar gekoeld van 150 C tot 100

°C

.

Als koelmiddel wordt water gebruikt, dat door de pijnen stroomt. De temneratuur van het uitgaande water is 50oC.

t~

:;6.~

~

..

~~:~:::;~::::~;.

~;~:.-;---~-~:~-'~~:~~.~~~"

:- --

~oH

wH

u~

__.~r'2p"C o - 90 C. De totale warmtestroom is 453000

w

.

Voor de totale warmteoverdrachtscoëfficient wordt 20 gekozen.

=

3210 m pijp wordt het totaal 2

=

252 m

A

=

45300

20 • 90

De diameter van de pijpen is 32 - 25 mm.

1 d · . . 252

De totale engte van e p1JDen 1S : 0,0785 Als de lengte van een pijp 6 meter is, dan aantal pijpen 3210 = 535.

-r-De hoeveelheid benodi gde koelwa ter is : 4.5 3UOO per uur : 3,61

=

3,61 41 90. 1

1

30 • 3600

=

13000 luur. 1 /sec

Als per P1JP van 2.5 mm diameter 800 liter water per uur stroomt is

Re

»

10,000.

d 13000

Het aantal pijpen peE pa s s is us :

800

16.

Het aantal passes is dus:

5

35

_{- 33.} 16

PeE pass wordt de diameter 10 mm in diameter groter.

/ :/ / 1 Dl - m.t

=

24,2.5.4.5 2 ~p i j p 2 steek 33 passes - 1090 mm.

=

32 mmo

=

90 mm, 330 mm, 1.542 mmo ...-- - 0, -- - - ... D is dus 1.50 cm.

- 1

,7 .

0,231 . .50-20 z -x

=

IU'~,

~

" $'0°, '''."

L::

'....

" ',.~~~i loo°e:.

..

·'

_---

~

-r··c

_{_.}

1.51.50-10-2000 .50- 20

Uit tabellen kan nu afgelezen wor d en, dat het aantal schotten tussen een en zes ligt.

Hier is een warmtewisselaar met drie schotten gekozen.

De diameter van de koelwaterinv oer is : 0, 3.5 6 De diameter van de ga s i nlaat is : 1,08 m.

De diameter van de gasuitlaat is : 1,02 m.

dm.

k.

D,

t\

.e,

.\J-.

tu

.

.

•

'

\.

G. Berekening van de oleumtoren.

De temperatuur van het inkomende gas is lOOoC.

De temperatgur van het 20ó~ oleum, dat in de toren gesproeid wordt is 6.5

c.

De samenstelling van het inkemende gas in volume percenten is

Zwaveltrioxide Zwaveldioxide Zuurstof Stikstof

7

,40~

=

1730kgjsec . 0,1710 9,90~ 82,5010

De totale massastroom is 9,428 kg per seconde.

De S03-dampdruk boven oleum bij een temperatuur van 65°C is 0,0355 ata.

De dampdruk van het zwaveltrioxide bij het ingaan van de oleum

-toren is 0,074 ata.

De hoeveelheid zwaveltrioxide, die in de oleumtoren is geab

-sorbeerd is dus:

3,83 • 1,730 a 0,940kg per seconde .

7,40

Deze 0,940 kg zwaveltrioxide reageert met 0,165 kg water tot 1,105 kg, 20~ oleum.

Warmtebalans over oleumtoren en menger: Kondensatie van het zwaveltri oxide

Vorming van het 20~ oleum

S~50

_o

.

0.940 _

_{_}

1 4_{0 ,0} 1,105 • 152= l60,~

K_{cal/ sec.}

"

Afkoeling van het ga s van 100 tot 65°C

264:,'4 93,0

Kcal/ _{sec .}

"

Het opwarmen van het toegevoe gde water 50.0,165

-357 ,4 Kcal/ se c .·

8

"

Kcal/ 349 ,4 se c . Deze warmte wordt door het circulatiezuur opgenomen.

Stel de temperatuur verhoging van het oleum in de toren op 200C

(C_p~~ 2010 oleum

=

0,4 dan is:

Qm

=

349,4

=

43,6 kg/sec.

20.0,4

De hoeveelheid oleum , die circuleert is dus: 43,6 - 1,105

=

42,5 kg per seconde.

Berekening van de diameter van de toren~

kg

j

sec .

-1 g

De gemiddelde dampstroom in de toren is: 9,00 G{ . 9 • 2,2

=

19,5lb/s e c• _ 71400 lb/h. L t • 42,6 kg/sec.

=

93,S lb/sec

=

33S.000 lb/ h. g

=

1,03

_{kg j M}

3

=

0,0644 lbj cf t •

.« __

~

o

,0644 \ / ~

=

V O,S57 - 0,925. 0,0 75 L_t

=

F.L . G_t

=

R.G .

F

~ onp er vl a k doorsnede. L

~

G

-33S.000 rI. ________ • ~ - 4,74 , 0,925 -71.400 4,39

?J.

De toren is gevuld met Raschig ringen van twee inches .

Dan is volgens Perry:

Gj~

= 1400

G

-

_-

1400 • 0,925 ₌ 1300

F ₌ Gt

₌

71400 ₌ 54, 9 ft2•

G 1300

D _

~ 54

,~.4

_

8,35

ft

=

250

cm. De gemiddelde gassnelheid is dan 1,7met er per seconde.

Berekening van de temperatuur van het oleum na de toren en voor

delunenger :

H~ertoe wordt een warmtebalans over de toren opgesteld.

8850 Kc~l

Door kondensat ie van zwaveltrioxide komt vry : ~ .0, 940 - ~04,0 /se

42 ,5 "

197,OKcal j s

Het gasmengsel geeft ( 9,428 .0,238 .100-87 488 .0,239 .65 )

=

De vrijkomende warmte is :

Enthalpieverschil 20,510 oleum en 2010 ol eum:

42,5 (159 - 158 )

=

93,0

_"

De af te voeren warmte is dus

Deze warmte wordt door het circulatiezuur opgenomen.

De temperatuurstijging hierdoor is:

T

=

_{- - -}

• 154,5

Qm.Cp 43,1 .C ,4

De temperatuur van het oleum, dat uit de toren vloeit is dus:

65 +8 ,9

=

73,9°C .

De hierbij behorende zwaveltrioxidedampspaüüid6 is : 0,055 ata.

Berekening van de lengte van de toren.

Voor de be r ek eni ng van de lengte van de vulmassa, kan de volgende

formule gebruikt worden .

z

=

G

Pa - partiaals panning van het S03 bij begin van de toren.

Po z partiaalspanning van

SOi

boven oleum.

=

P_{e -} Po Torr . uur wa arin : b PI

=

Pa - Po waarin: Z

=

hoogtevulling in m. m2 3

a

=

0pDervl akvul ling pe

₂

kubieke meter in /m.

s

=

doorsnee t oren in m . k 2

kg: gas f ilma b sor pt i e coëffic i ent in g/m. h •

g

=

hoeveel heid geabso rbee r d zwaveltri oxide per

li_P m - L\Pl - LiP2 log 6PI l\P2

P

_{e :} 1 Po

=

Partiaalspanning van SO ~ aan eind van de

t of'en.

partiaalspanning van

SO~ bov en oleum bij

deliaar heersende

temperatuur.

=

3,50 m.

3380

Z

-Volgens A;G~ Amelin (lit.2I) en W.M.Ramm (lit.22) is kg bij

absorptie van zwaveltri ox id e in 20~ oleum en bij de temperatuur

van 65° C : kg 2 0, 171

Im

.h.Tor r. G

=

0,940kg/ s e c 8 3380kg/ h. m2 3 a - 82,0 /m. s

=

4,91 m2 PI

=

0,0 74 - 0,0552 - 0,01 9 ata

=

14,5 Torr. P2 =.0,0356 - 0,0346

=

0,0011 ata

=

0,76 Torr. Pm - 10,8 Torr. dus 82,0. 4, 91.10,8.0,1 71

De afmetin gen van de ol eumto r en zijn dus:

diameter 2,50 m.

- - - --- - -

-..

- _. -

-l

.

I

I

I

I

H. Berekening van de absorptietoren. ( lit. 23)

Het gas, dat binnentreedt heeft als samenstelling:

0, 790 kg 3ID3

/

sec.

-

3,52 vol °10

0,032 kg 302

/

sec. 0,17

_"

0,926 kg 02

/

sec.

_-

10,39

_"

6,740 kg N2

/

sec.

-

86,0

"

8,488 kg/sec.

Voor de gassmelheid nemen we 1,2m/sec.

De absorptietoren wordt gepakt met Raschig ringen van drie inches

met een porositeit van 0,7 .

Na berekening vindt men voor de benodigde doorsnede van de toren:

D

=

2,88 m.

Het oppervlak van de doorsnee is dan: 6,46 m2•

Het zuur dat de toren inkomt heeft eBn sterkte van 98,8~

Het zuu r dat uit de toren komt heeft een sterkte van 99,2~

In de~toren moet 99,8~ van het 303 gea b s or b eer d worden.

De hoeveelheid geabsorbeerd 303 is dan 0,789kg 303/s ec.

De hoeveelheid water, die hier mee reageert is :

18 80

8 kg 303

• 0,7 9

=

0,177 jsec.

Het water, dat bij het recycle-zuur gevoegd moet wor d en is dus :

0,17 7 0,012

~

• 0,789

=

0,188 kg H20j s e c .

Als W

=

gewi cht van

98

,8~

zuur, dat circuleert per kg/se c

dan is gewi cht van 99,210 zuur dat de t oren verlaat : W

+

0,78 9

water hoeveelheid in zuur, dat de toren binnen komt : 0,012 W.

water hoeveelheid in zuur, dat de toren uitgaat: 0,008(Wr 0, 78~~

waterhoeveelheid dat reageert : 0,1 77

j

sec.

Waterbalans : 0,01 2 W

=

0,008 (W+ O,7 89) + 0, 1 77.

De totale warmte, die vrijkomt is de condensatiewarmte., van het S03 en dè mengwarmte:

0

,789

[

8:~0

+

300J

=

325

Kcal/sec. -

1360 KW

.

Deze warmte wordt door het circulatiezuur opgenoman,

( Cp ) 99,2 H2S0 3

=

0,362

Qw

=

Qm , Cp •

t1

T.

325 = 46,59 • 0,362 . D. T

o

ÓT

=

19,3

c

.

Temperatuur van binnenkomende zuur is 600

C

_ö Temperatuur van uitgahnde zuur is 79,3

c

.

De gemiddelde temperatuur in de toren is 650

c.

De gassnelheid onder in de kolom is : 1,20m/s

De gassnelheid boven in de toren is 0,965 • 1,2

=

1,16m/sec.

De gemiddelde gassnelheid (space velocity)

=

1,18m/sec.

1,18

m/

De werkelijke gassnelheid is 0 70

=

1,69 sec.

, kg 2

Dp vloeistofstroomsnelheid is 7,09 / m . sec.

2

Specifiek oppervlak van de pakking is 82,0 m / m3. De vloeistofdichtheid is : 1772 kg/m3 .

11 Wetting rate " : 7,09

82.1772

4 88 10-5

=

,

•

m3/sec.m.

De eigenschappen van het gas zijn:

f

=

1,06 kg/m3

1

-

_-

20 • 10-

6

N.S ·

i m2

-5 m2/

.JD

-

_-

1,34 • 10 sec. Sc • 1\

-

_-

1,41

f-lD

1,06 1,69. Re •

_~

₌

• 0,0253

₌

2265.

1

20 • 10- 6

,.

Er geldt : kg. R.T . v • p 04 ( O·v ,d 0 , \

1

r

0, 25 kg

=

1.69 . _{(1,11 )-0, 5. 0,}04(2265)-0, 25= 8,315 .103.338 ~ 2,93 • 10-9 Kmo1 2 11/ 2 se csm", m

Vermenigvuldigen met pakkingsfaktor R_g ~ 1,4

kg = 1, 4 • 2,93 • 10- 9

=

4,10 • 10- 9

De weerstand in de gasfase bepaald( de absorptie.

Pa r t i a a l dr u k van S03 aan de inlaat is : Pl= 0,035 • 105 N/m2•

Partiaaldruk van S03 aan de uitlaat: P2

=

0,035.0 ,002 105= (0,9 65 +0, 0 35.0, 002)

N 2

= 7,25 / m • De gemi ddelde drijvende kracht is

• 3500-7 ,25 ~ 3500 7,25 3493 0,1 8 =

Het aantal Kmol S03 dat geabsorbeerd is

°

_'

789

₌

_0,0099 Kmol/ _{sec .}

80

- 4270 Oppervlak van de pakking is

99. 10-4 2

m •

Opp er vl a kt e Vffi de pakking per eenheid van bedhoogte:

25

0,305

De h~ogte van dp pakking, die vereist wordt is dus:

42,70

=

8;06 meter.

530

De afmetingen van de absorptiet oren zijn dus: D

=

2,88 m

Hoogte pakking

=

8,06 m.

Voor de diameter van de tor en is echter 3,00 meter gekozen.

De bedhoogte wordt dan 6,3 meter.

Om het meegesleurde zwavelzyur af te sc heid en wordt boven de zwavelzuur invoer het bed voortgezet tot een total e hoogte van 10 meter.

I . Berekening van de temperatuur in de tank voor 98,810 zwavelzuur .

Bij de absorptie toren i s al bereken d , dat de hoeveplheid water , di e

per seconde aan het zuur moet war d en toegevoe~d , 0,1 88 kg is. In de droogtoren wor dt al per seconde 0,120 kg water geabsor

-beerd.

Er moet dus nog 0,065 kg water aan het zuur wprden toegevoegd.

In de tank wordt per se cond e ingevoerd:

1. 11 ,31 kg 97,7~ zwavelzuur uit de droogt ore n .

De temperatuur hiervan i s 61;05°c.

2. 46,59 kg 99,210 zwavelzuur uit absorptietoren.

De temperatuur hi er v a n is 79, 3°C.

°

3. 0,065 kg water met een temperatuur va n 20 C.

DOO E een warmtebalans ov er de tank op te stellen werd de temperatuur in de tank bepaald.

Deze is 76,3° C.

De temperatuur van het 98,8j zwavelzuur naar de twee regenkoelers

tussen de droogtoren en abs orptiet oren is dus 76,3° C.

J. Berekening van de regenkoeler voor het oleum.

Het wordt af g ekoel d van 85°C tot 65° C.

Het koelwater stijgt in temperatuur va n 20°C tot 40°C•

42,5kg oleum door de koeler met een snelhe i d

t:...L.:: 1.. S" " c.

"'IIlT"e.

T= 41>"Co

Per seconde stroomt van 3 m/se c . t I .. ,L,...oel w ...TEa b I "oS L f T· Joo.e.

OL.::'"

--_._ --~..

-

)

T'"s--Co f- -. \ . - - - .-"

rr:

_

._

J

\ .- -.-- -- -.' - -'--. - - -4... o L E "M T=(,r-·c.

De doorsnede van de pijp wor dt

kg

De dichtheid van het oleum is 1,8 /1.

2

- 0,80 dm

4-2,5/₁,8

30

De buisdiameter wordt dus 120 - lOl mm.

Voor de totale stofoverdrachtscoëfficient U wor dt 300W/m2oC

gemomen . (ÖT )l.m

=

4-2oC. Qw = 14-60

KW

.

A = 14-60000

=

114- m2• 500.4-2 1 d do ° ° 114- 3~8

Het aanta meter P1JP, at no 19 1S,lS

0,320 : / ~,

Stel de lengte van de pijpen op zes meter.

Het aantal pijpen is dan: 358 - 60

6

Als het aantal pijpen op een hoogte zes bedraagt dan is de hoogte

van de koeler aan pijpen: 60

=

l a.

i :

De verticale afstand tussen twee pijpen is 50 cm.

De hoogte van de koeler is dus; 9.50 1.50

=

5 meter.

De breedte van de koeler is : 5.50 1.50

=

3 meter.

De lengte van de koeler is : 6 meter.

Opmerking.

De berekeningen van de andere regenkoelers in het schema zijn

geheel analoog aan de hierboven berekende.

K. Gegevens over de pompen.

1. Pomp om zwavel i n ov erL t e pompen.

Hiervoor is een verti~ale cmtrifugaalpomp gebruikt.

De maximale volume stroom is 60 l/mm.

De buiswijdte is 30 mmo

,

,

, I

•

Het toerental is 2800 toeren per minuut.

Diameter van de waaier is 20 cm.

D~voe r$ ho o g t e is 20m•

2. Pomp voor circulatie van het 98,8~ zwavelzuur.

Gebruikt is een horizontale centrifugaalpomp.

De buiswijdte is 125 mmo

De maximale volumestroom is 15oul/min.

De opvoerhoogte is 7,5 meter

Het vermogen is 3,5 pK.

Het toerental is 95ü t oeren per minuut.

De diameter van de waaier is 440 mmo

De pomp wordt met behulp van een riem aaJlgedreven .

3. Pomp voor afvoer van de 98,S~ zwavelzuur naar de opslagtanks.

Gebruikt is een horizont ale centrifugaalpomp De buiswijdte is 2.5 mmt:» :

De maxima~volumestroom is 50 liter ner minuut.

4. Pompen voor circulatie van het oleum door de oleumtoren Gebruikt is een horizontale centrifugaalpomp •

Buiswijdte is 125 mm

De maximale volumestroom is 1500 liter per minuut.

De opvoerhoogte is 7,5 meter

Het vermogen is 3,5 pK

Het toerental is 950 toeren per minuut

De diameter van de waaier is 440 mmo

De pomp wordt met behulp van een riem aangedreven .

L. Stofbalans over gehele fabriek.

Ingaande st r omen :

Uitgaande stromen:

0,72 kg zwavel per seconde.

0,163+U,i88

=

0,353 kg water per seconde.

8,706 kg droge lucht per seconde.

0,979kg 98,8~ zwavelzuur per seconde

L,10 5 kg 2G~ oleum per seconde.

0,926 kg zuurstof per seconde.

6,740 kg stikstof Der seconde.

•

Rls

prodmkt wordt afgevoerd. Dit is Per seconde wordt Dit is 31.850 ton

dus 0, 979 kg 98,8~ zwavelzuur per seconde 28.200 ton 98, 8~ zwavelzuur per jaar.

ook 1,105 kg 20~ oleum geproduceerd.

-.,.[

301-4( 1950) 212, (1933) 5

8

2.

4.

B

.

Waeser 1. Chem, inde 707-8 754 (1953) 118 (1956) 47,108-9 (1957)

2, T.P Forbath Chem. Eng. 63 278-82 (1956)

3. H.Drechsel . Dechama monograph 34 nr, 503-27 105 (1958)

Di e Schwefelsäurefabri kation,le druk,F .Vieweg ,

Braunschweig 1961, blz. 197.

5. B. Wa es er zie 4, blz. 196.

6. W.A .M.Edwards , J.H .Clayton, A.Jakson, I .G .Hoechst and Ludwi gshafen

Manufacture of sulfuric acid, l .G . Convertor.

Design en vanadiumcatalyst BlOS final Report No. 244 London 1945.

7. F. Heppenstall, H.A . Hoyle, A.C . Mi che l s on, H.L.Tomps on

G.E . Wentworth, Manufactury of sulfurie acid , Leverkusen-Sch1ebusch

BIOS final Report No. 1634 London 1946 blz. 8.

8. H. Drechsel zie 3. blz. 111 •

9. J.C . Hutchison, M.L .Katsens Ind, Eng. Chem. 40 1348 (1948) 10.zie 9, blz 1340-9

11.W .J .Murphy , J.Roy .lnst . Chem. 74 12.International critical tables 7

(1953)

22 (1952) 24

13.B . Waeser zie 4. blz 264.

14.P,H . Calderbank J. Appli èd. chern. 2 483

15. B.C .A .Hedströrn, E.Tjus , Chew.lng.Techn_r»

16. D.A . Hougen, K.M. Watson chemical process principeis.

J.

w1tt.j

-l

S.

17. zie 16. blz 257. /Je.w . ' lONt "",19 h.t2.)./'I

18. ... _19•

...

20. 21. 22, •

P. H. Calderbank. C.JUH. J ""',. F't/t 0

1~·

:!1

'

J-JlI"

(;9

n

)

C.N . Hinshe1wood , The kinetics of the chemica1 change

Oxford 1949 blz. 203, 214. zie 16, 1,./ 2.

lzr'

A.Y .Amelin , Zurna1 prikladnoy chim. 17 Nr. 6, 319, ( 1934)

W.M. Ramm, absorptions prozesse in der chemische Industrie.

Berlin 1952 blz. 273,274,278,287 .

23. W.S . Norrnan, Absorption, desti1atillon and cooling Towers London 1961 blz. 214,215 •

i~

r • j