De productie van vloeibare siliconen volgens de directe methode

(1)

,

j

~. I ~r---~--'-~~~ f

"~1';'

I/otgl

:'

1Iiiii _ _ _ " 'I. De produo~ie van vloeibare silioonen vol~ens

de direote methode.

Beschrijvin~ bij het tabrieksschema van D.J.Hart~erink, aansluitend op het schema van G.Kruuk.

De bereiding van vloeibare siliconen geschiedt op de vol~ende wijze: Men maftkt een monomeer van de stru.ctuur (CH3 )2 SiCla ot (CH3 )38iC1

en deze hydrolyseert men met water.

Gaat men uit van (C~)2 SiCla dan krijgt ~,:,:vclis,he oroductenvan

.JA.. , - ,

de structuur [(CH_{3 )2}SiO] x waarin x ~roter is dan 2. Deze producten zijn bij temperaturen tot 2000 _{C en}₁ _{mm af te destilleren. De hoger kokende}

bestanddelen hebboo de structuur

Hydrolyseert men (C~

h3

SiCl d.an krijgt men bijna uitsluitend (CH3 ~SiOSi(C~~. Mengt men (CH3 )5S1C1 en

J J

dan krijgt men weer een soort olie, waarin voorkomen (CH3 ~SiOSi( CH3 }tS' ,

~ ÎJ

cyclische dtmethyl siloxanen en CR3 [ ( CH3 )2 SiO] x St (CH:d3'

De uitgangsproducten voor de hydrolyse, (CH:s)s8iCla en worden On verschillende maniere~ verkregen.

1. Substitutie door alkylverhindingen van Zn, Hg en Al.

- 7

h.v. Zn(CH3 )a + 2 CH3SiCl~ 2 (C~)a Si0la + ZnCla Zn(CH₃ )2 + CH₃_SiCl3 - . (O~

b

SiCl + ZnCls . 2. Condensatie door middel van Na.

SiC1 .. + 2 CH3Cl + 4 Na -- (CH3 )2 stOla + 4 NaCl SiC14 + :3 CBeel + ti Na - (CH3)38iCl + 6 'NaCl 3. Subst,ttutte door Grignardverbindingen.

(C~:da SiCla + 2 MgClBr SiCl .. + :3 CIlt3M~Br ---- (OH3 bSiCl + :3 M~ClBr

(2)

~

y

~

d

_{1 .}

"

r

I I

/

..

2

-.

e...

4.

Absorptie ~'koolwaterstoffen.

-

_{Deze methode komt niet in aanmerking voor de bereiding van}

5. De directe synthese. Aangezien deze methode werd toe~epast voor het

-sohema zal deze uitgebreider besohreven worden.

Het essentiele versohil van deze methode~et de. vorige ia, dat men hier niet eerst Si verbindt met 4 halogeenatomen, welke later gedeeltelijk worden verwi,jderd, maer tegelijkertijd Si verbindt met halogeenatomen en alkylgroepen. Kiest men ~~nstige omstandigheden, dan verloopt grotendeels

2-

C%C1 + Si --"""-J (CHz)g SiCy

Hiernaast krijgt men ook

Ook andere producten schijnen hierbij te kunnen ontstaan, b.v.

Voor deze directe synthese is een katalysator gewenst. Men gebruikt daarvoor Cu, dat men met 'Si mengt en dan sintert in waterstof.

In de literatuur wordt voor de bereiding van vloeibare si1ioonen

sleoht8 een semitechnisoh apparaat aangegeven en dat is nog erg onvoiledig. Hierbij wordt uitgegaan van Cu , Si en C~Cl.

De bewerkingen zijn als volgt te splitsen: lee Bereiding van de katalysator.

2e. Reaotie tussen Cu, Si en CHQCl. 3e. Soheidint!: van de reaotieoroduoten. 4.e. Hydrolyse van {CH3 )2 SiClg •

Hiervan worden in onderstaande beschrijving alleen de 2e en 3e bewerking behandeld.

De

beide andere punten worden besprOken in het sohema van G.Kruuk.

CH3Cl stroomt uit de tank door leiding 1 en komt in de reactieruimte.

(3)

I

["

- :3

-~1.

\

on de gewenste temparatuur van

~3O-340oC

onderin de buis en 360-37000 bovenin de buis wordt gehouden. De temperatuur wordt geoontroleerd met

----de oyrometer.s4.. De kata1~!s8tor wordt toegevoerd door buis 19 en wordt door de gaastroom gedeeltelijk mee omhoog !!:8'\Toerd. In huis 2 treedt de reactie op. De overmaat katalysator wordt afgescheiden in de separatoren

7 /

6 en 7, het laatste restje. in Cottrel1 separator 10. Door de buizen

8 en 9 stroomt dua een mengsel van onomgezet O~Cl, de reaotieproduoten en katalysator. De in 6 en 7 af'~esoheiden katalysator valt terug in de,

buizen 13 en wordt door het schoepenrad 15 dosis gewijs doorgelaten, waardoor de katalysator door buis 19 weer in de reactieruimte ~ komt. Verse katalysator wordt toegevoegd uit bak 5. Om opstQPping van katalysator

in buis 13 te voorkomen kan ~ in~blazen worden. Ret doorzakken van kataly-sator kan men oontroleren door kijkglas l~. De gassen, welke uit de

Oottrell 10 komen worden gedeeltelijk geoondenseerd in oondensor 20, waar-door een stroom water vloeit. De ~eoondenseerde roactieproducten gaan door leiding 21 naar wacht bak 22.

De katalyse.tor, welke uit 19 valt en niet door het CH3Cl wordt mee-genomen, valt in bak 16 en wordt door middel van 17 n~9r bak 24 vervoerd. Ook de katalysator, afgesohsiden in Cottrell 10 wordt bovenin bak 24

gevoerd door 23 09 17.

De drsad 11 wordt onder gel ijkspanning gezet. De buitenkant van de Cottrell wordt geaard door middel van leiding 12.

Door leiding 25 stroomt het niet gebruikte OH3Cl naar de tweede reaotor en wordt weer vermengd met katalysator. Precies hetzelfde nroees speelt zioh hier nogmaals af. De gassen worden weer geoondenseerd in een condensor. De niet oondenseerbare gassen worden bij 27 afgevoerd. De kata~

lysator, welke in 26 valt, wordt door 28 nasr een ruimte voor afgewerkte katalysator gebracht. Ua in Cottral1 30 afgescheiden katalysator gaat rechtstreeks naar de verzamelbak voor afgewerkte katalysator. Uit de

(4)

...

4

-wachtbakken 22 stromen de reactieproducten door de leidin~en 31 via pomp 32 naar de eerste rectificeerkolom 33. In leiding 31 is een rotameter aangebracht, welKe dient om de hoeveelheid r~actieproduct te controler.en.

Uit kolom 33 ontwi,1ken boven de dampen van Si(CH₃)t\Cl, welke de stof

is met het laagste kookpunt (57,60C). Deze dampen worden ~econden8eerd in conden8o~ 34. Beu condensaat vloeit door leiding 35. Een gedeelte hiervan wordt bovenin de kolom als reflux teru~gevoerdt een ander deel wordt door leidin~ 36 na~r de voorraadhak voor 3i(CH0)3Cl gevoerd.

Onderin de kolom vloeien de producten door leiding 37 naar verdamper

38 en de dampen gaan door leiding 39 taru~ naar de kolom. De niet verdampte

produoten vloeien door leiding 40 via porn~ 41 naar kolom 42, welke op

deze'lfde manier a Is kolom 33 werkt. Bovenaan ontwijken de SiCJl~CI:5 dempen, welke in oondensor 43 geoondenseerd worden en gedeeltelijk als retlux worden teru~gevoerd. Het niet teru~g9voerde deel komt in de verzamelbak voor 3iC&5C13'

Onderaan de kolom worden de produoten verdampt in verdamper 4~. Het niet verdampte Si.(CH3 )2C12 met kookpunt

'

_7d'

e

komt in de verzamelbak voor

In de verdampers 38 en 4.4 wordt bijt.5 stoom ingevoerd. Bij 46 wordt het oondenswater afgevoerd.

In de oondenSOllen 20 wordt bij 46 water in- en bij 4'7 water af'~evoerd. In de oondensoren 31. en ,1.3 wordt water ingevoerd bij -tB en afgevoerd bij 49.

De

leidingen .50 dienen voor ontluohting.

De hoevoelh~id katalysator, die nodi~ is bij dit prooes is 100 maal zoveel als het gewioht van de toegevoerde hoeveelheid C8₅C1. Door deze

\ grote overmaat katalysetor wordt de reaotiewarmte

af~ev~erd.

Op de besohreven manier is 5'7 % van het verkregen produot (CH₃)2 S1C1₂•

Bij de hierboven beschreven apparatuur is verondersteld~ dat ~een hoger kokende próduoten dan (CH3 )2 3iC~ o nt. staan. Het enige produot met

(5)

5

-ho~er kookpunt, dat logisoherwijze zou kunnen ontstaan is SiCl •• In het patent wordt hierover in het geheel niet gesproken. Mooht het wel ontstaan, dan zou een ~e kolom nodig zijn. Men kan wa~raohijn1ijk niet zonder meer een mengsel van (CH~)2 SiC1₂ en 3iC1. gaan hydroliseeren, daar er dan

i

andere oroducten optreden dan wanneer'uitsluitendC~)2S1C12 wordt

I

gebruikt.

I

In het hierboven ge~ev~n sohema zitten uiteraard vel9 onz~kere

I

faotoren, zodat eerst nop; uitgebreider researoh zou :noeten worden 'Verrioht voordat tot de bouw van een dergelijke fahriek zou kunnen worden overge-gaan.

Literatuur:

E.G.Roollow, Chemistry of ths silicones (1946 ) / Kipping, Proc.Chem.Soc. 20, 1.'5 (1904.)

J.Rochow, J.Am.Chem.Soc. .§Z. 963 (1945)

,

U.S.P. 2.380.995 U.S.P. 2.389.931.

(6)

"

Y'/

1

6

-Berekening vnn condensor 43.

Nemen we 8an, dat we 200 k~ CH~SiCl~ oer uur invoeren in de laat~te destillatiekolom. Deze hoeveelheid moet in een condensor ~eoondenseerd

"

worden. Werken we met, een refluxverhouding van

_l

_~

dan moeten we totae.l per uur condenSl3ren~ CH3SiCl:3 •

Alvorens een wanltabalans voor de condensor te kunnen opstellen

moeten we de verdampingswarmte van CH33iCl~ berekenen, ~nn~ezian deze in

de literatuur niet hekend ia.

~erd Vol ~ens de ver,.;elijking van Trouton:

--T---T •

absolute temperatuur van het kookpunt. kookpunt C% 8iC1_{3 ..}66° C. T ,. ~39.

- 22.

,

Q • 339 • 22 ,. 7500

ca?l~ol

• 50

kca1k~.

Er moet 400 k~r gecondenseerd ,"orden, dus de tota1e h09Veelheid af te

voeren warmte .. 400 • 50 kcal • 20.pOO kcal

-~O .000 B. T • U •.

Stellen we de begin- en eindtemperatuur van het gebruikte koelwater resp.

600 en 80° F (. 16 en 27(1 C).

/

De

soortelijke warmte van water bij 70~ F - 0,998

,

L'> t voor water a 111'

c.

De hoeveelheid benodigd H;a 0 •

-

18~5 kg hr.

Nemen we aan, dat we werken met een sin~le pass eondensor m~t 30

pijpen van

t'

I _{buitendiameter ,} _l_{nateria,ü brons.}_W_{e berekenen dan de} lengte van de pijpen.

Voor de verdere berelcening is het noodzakeli.;k eerst het Reynolds getal te berekenen, aangezien we moeten weten of de stromin~ van het water door de pijpen laminair of turbulent is. Vinden we een Reynolds

I

getal ~roter dan ~, den kunnen we aannemen, dat de stroming turbulent

(7)

r - - - - -I

I-I

I I

..

/

7 -1825

Door een pijp stroomt ner uur

-3Ö-

k~ • 61 k~ (. W). De inwendi~e diameter van de pijp • 0,~7" .,. 0,94 cm (. D).

Oppervlak van de doorsnede van de pi.ip

.

/0

0,<\7f. .. 0,69

o~

(a S).

De

massasnelheid G

~ ~

::I

Ö~~9

• 88

k~/c~

hr .. 21,6 g!cnfl sec.

De .. isoositeit van ~O hi'; 22(\0 Á _{22 '"'} 0,0096 poise.

Het Reynolds~etal wordt dan Re. QQ • Q~~1_~~~~ • 2400.

b ~ 0 0096

L:~ ~

___

~ ~

4.t:~t.;

~

,

--t.

~

.

e

mogen àUsy:.nnemen, dot de stroming

~ont

is.

~

Voor de verdere berekeningen hebben we het logarithmisoh gemiddelde van de koelwater temperatuur nodi~. Dit is

c 80 - 60

ln 1,33 :s 70,1 (\ F.

We berekenen nu de rilmooerri~ient voer het koelwater. Hiervoor

~eldt ~~E.,. O,02~

(

8

Q

)o,~ (~~!!

)e,4

Hierin 13 hi • fil~coëfrioient

D Ol pi.jpdia.meter

k

=

warmtegeleidbaarheid G .,. massasnelheid

u ..

viscositeit

Op .. soortel i.ike warmte bij oon3t,snte druk. HQ .. Re :s 2100

k • 0,3H

Bt~

/

hr

sq ft °F;ft

D :a 0,3',0 .. Qt~Z ft .. 0,031 ft

.. 0,96 oentinoise a 2,52 lblhr rt cp • 1 Btu/1b OF

(8)

-

8

-De f'ilmooërt'icient voor de buitenzijde van de pi ip moet berekend worden uit de vergeli.iki~g van Nusselt

'r?

2 1

ho ..

0,725 ( ~Af- )J

~ .. versnell ing van de zW!'lfl.rtekracht

f •

Boortel ijk gewicht

....\ =

oondensatiewarmte

~ .. uitwendie;e diameter

t tem.peratuursversohil damp-wand.

De ~emiddelde watertemperatuur c 70° F.

De

damptemperatuur • 66°0 = l~l OF.

Nemen we nu aan, de.t de wandtemperetuur het gemiddelde van de water en de demptem-peratuur is, hetgeen zo zal zijn al s

hr. •

hi, dan vinden we hiervoor

noC'F.

De gemiddelde filmt el"tpe ra tuur aan de b-tnnenzijde is dan 90° F en die aan de buitenzijde 130°F.

OVer de viscositeit van C~SiC13 is niets te vinden. We nemen aan, dat deze bij de gemiddelde filmtemperatuur 1 cent!ipoise is • 2,~2 l~hr ft.

k kunnen we dan berekenen uit

3 p i .A ,.

k • 0,00206 + 1,56 (cp - 0,45) + O,3(M)3 + 0,0242 ( Y

)9

M a moleculair gewicht.

Nu is cp ook onbe1_::e1'ld. _W_{el zi.in heke"d:}

C :a 0,191 cal g

oe

p

O 266 cal ti' <' 0

cp '" , t:>

Nemen we aan, dat het ver schil in cp tussen 8i014 en Si0H:5013 even ~root

is als tussen e014 en.

ca

He0.la ,den vinden we cp IS 0,191 + 0,34 .. 0,225 cal .., rr <' 0

• 1,271 kg m3 • 79,36 lb cu ft

I

Î

(9)

\.

•

- 9

-De rUmcoëfficient aan de damnzi,jde is dus groter dan die aan de binnenzijde van de pijpen~ De ondergtelling voor het temneratuursverloop

is dus niet juist. Veronder st· ell en we thans dat

ho ""

458 de juiste wPle.rde is en berekenen we het temneratuursverloop.

De warmte-overdrachtsweerstand voor buitenfilm, pijpwand en binnenfilm verhouden zich als:

{~:~

-

O,37

~

• 12

----6ë-:-Ö:14---

~

2 98

Het tE!l!.neratuursverloop door de condensaatfUm wordt dus Voor de waterfilm wordt dit:

98 0

14ï • 81 D ~5,1 F

.d t uit Nusselt 's vergel ijktn!!; wordt. nu 2~, 7.

(Bij deze berekenin~ is voor en k l'1eer dezel t'de 'Vl'!l[\rde in!;evuld als bij

de eer.rt.e berekenin~. Dit is natuurlijk niet geheel ,juist, nmdat beide

~ootheden varieren met ·d~ templ3re.tuur. Aangezien vooy een willekeurige aanname is gedaan heeft het weinig zin deze te corrigeren voor het

(10)

..

10

-ratuursverschil. Moet men dit in de praktijk wel doen, dan gseft Perry hiervoor een ~afiek)

De verho~ding van d~ weerstanden wordt nu 1

---520 • 0,5 0,0002 0,0103 = 38 103

Hieruit volgt: Temperatuursvervalin condensaattilm"

ï~.

81°F I:Z

'" 21,5 0 F, tem

,n

aangenomen was 2t, 7 0 F.

Men zou nu nogmaals kunnen oorrigeren, mR.ar dat hee.pt voor dit versohil weinig zin meer.

We berekenen de overall ooëfrioia~t uit

U 11: 1

--~----~---~---~-

+

--~-~

+

-~~-Di hi Dav k ''P 1

-u •

1,iB.

Hiermee kunnen we tenslotte de len~e der pijpen berekenen.

q - U71 DLA t

q = hoeveelheid ner pijp over te dra~en warmte.

L • lengte der pijpen.

q totaal

= 80.000

Btu.

q per pijp = .. 2700 Btu •

L

=

- - - = q 2700 • 1,8 ft 11: 5~,9 om.

U D t 148 • 3,1~ • 0,04 • 81

Om dus hetuit"de kolom komende CH~SiCl3 te condenseren en in de k.olom met een ref1uxverhouding van 1 ~ te werken, heeft men een

singlepass condensor met 30 nijpen van 0,5!! en een lengte van 55 om nOdip;.

Het ko~lwater komt binnen met een temp~ratuur van

6d'

F en verlaat de,

(11)

- - - -- - - --- - - ~---

-•

-11-Literatuur:

Bad~er en Me Cabe, EJ.ements

ot

Chemie al Englneer·in~.

Walker, Lewis, Me Adams, Gillilan4, Principles

ot

Chemica! Engineerin~.

Ke Adams, Heet Transmission.

(12)

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

-•

De productie van vloeibare siliconen volgens de directe methode. 11 •

. Beschriiving bij het fabriekssohema Tan G.Kruuk, aansluitend on het sohema van D.J.Hartgerink.

Ven de bewerkin~en 1. de bereidin/!; van de kats.l;\psator

2. re6ctie tussen katalysatormassa en CH₃Cl 3. scheiding van het reactieproduct

4. hydrolyse,

worden i~ de onderstaande besohrijving alleen de le en de te bereiding besproken. I

In de literatuur is noch over de bereiding van de kate.lysatormasSB., noch over de h;rdrolyse veel 1it8PQ~1:I1:Ir te vinden. Van de herddin~ vlln de katalysator massa wordt alleen ~9zel!;d, dat een goede kate.l:'tsat()r is gevonden in koper, dat

gepoederd en /!;emen~d wordt met het silioium of beter, in een waterstofatmosfeer gesinterd met het ai (Roo1qow). Terwijl Reed ze!1;t, dat het koper en het silicium

('\

I!;esinterd worden bij lORO C en dan ~eaotiveerd worden met stikstof, waterstof, zwrstof, zoutzuurgas, "or any other suiteble gas ".

Over de hydrolyse is alleen een lahoretoriu."D.proof te vinden van W.Patnode en D. F.Wilcock. In de beschriivine: vinden we het volgende:

. 0

onder hefti~ roeren langzaam toe~~oe~d a~n 10 L water van 15-20 C. Er ontstond ongeveer 2 L van een kleurloze olieachti~e vloeistof, die onderworpen werd aan een ~efractionneerde destillatie.

Bereiding katalysatormftssa.

Gepoederd koper en silioium worden in de juiste verhouding (l:lÓ) gemengd aangevoerd in verzameltr-eohter (1) ve.n de sinter~oY'en, ze komen dan in de hollë

as (2) en worden hier d.m.v. een sehroef'gang gebraoht n.aar de eigenlijke oven. Deze oven bestaat uit een o:rlindrische roterende retort (3), van roestvrij staal I

met 30

%

Cr, geplaatst in een met vuurvaste steen bekleed ovenhuis

(4),

zodat

(13)

---r

2

-de verbranding van -de brandstof plaats ken hebben tussen ovenhuis en retort.

Als brandstof kunnen ~asvormi~e of vloeibare brandstoffen ~ebruikt worden, de

branders (5) bevinden zich in het ovenhuis.

Het koner en het silicium worden oontinu~ in de retort aangevoerd en

door-lo~en deze met een zodanige snelheid, dat de massa zich 1 uur in de oven

be-vindt, waar hij bij een temneratuur TIln 1050° C in een

Na

atmosfeer samensintert.

De mf\ssa komt dan in het laatste watergekoelde gedeelte van de retort wu"r

Î';e-o

koeld wordt tot een tEJll"O eratuur van .:t. 100 C.

De gekoelde massa komt nu in het verzamàvat (6) en valt van hier in de transnortbuis (7) waarin de massa omhooggevoerd wordt d.m.v. oycloon (8) naar de kogelmol~n. Het materiaal. komt door de centrale invoer in de kogelmolen, waar-van de trommel is voorzien waar-van zeven zodat het materiaal in de vereiste fijnheid

de molen verlaat. Het wordt nu met de schroefgang (~) ~evoerd naar de elevator{10

die het brengt in de verzamelbak (11), van. hieruit gaet het materiaal naar de

oven, verwarmd door gasbranders (13a), W89.r het bij een temperatuur van 300° 0

in overmaat lucht geactiveerd wordt.

/

Deze oven bestaat uit een oylin1er (l.2) waarin het meteriaal .door een

schroef (l3) wordt voortbewogen. Door deze 0,,1 i"der wordt in tee:enstroom met het

materiael luoht r;eblazen. Het materiaal valt aan het ei.nd van de oVen in de

leiding (ll), die de katalysatormassa naar de reactoren voert.

Hydrolyse van het dimethyldiohloorsilaan.

Het i iláan komt door

leidin~

(15) naar het hyàrolyse-apparaat,

tegelijker-tijd wordt vis leiding (16) de benodigde hoeveel heid water aan~evoerd. Het water

+ silaan wordt oentraa1 ine:evoerd, binnen de koels'Oirael (17) r d.m.v. een

roer-der

(18)

wordt gezorgd voor een goede roering. Deze roerder zor~ tevens voor een

oonstante beweging van de vloeistof volgens de 'Oi,i1en. Het hydro1yseproduot met

water, WAarin oen gedeelte van het bij de hydrolyse vrijkomende HCl oplost, wordt

via leiding

(19)

e:ehraeht naar tank 11, het gasvormige HOl wordt door leiding

(20) afgevoerd.

(14)

lOf

I

·

:3

-~edeelte1ijk afgevoerd door leiding (21), ge~ee1telijk met de olie (hydrolyse-product) do~r leiding (22) naar het scheitankje (23), hier wordt het water afge-voerd door de leiding (24) die van een dubbele bocht voorzien is. De olie gaat . door leiding (25) naar tank UI.

Tank 111 is voorzien van een ooncentrische cylinder (26) die T&n onderen

ooen ia. De olie wordt met het waswater, een zwak alkalisohe oplossing die via

leiding (27) wordt aan~evoerd, binnen deze oylinder gebraoht wa~r een ~oerder (291

voor een ~oede mengi~g zor~ en tevens voor een stroming ~lgens pijlen. Olie +

w8.sop103sing gaan door leiding (30) naar tank IV die geli,jk is aan tank II.

Waswater wordt weer gedeeltelijk afgevoerd door leiding 31 en gedeeltelijk met de

olie door leiding (:32) naar het· soheixankje (33), waar het meegekomenwas'\'Tater .

afgevoerd wordt door leiding (34) en de olie door leiding (~5).

De zo gemaakte olie kan indien nodig ver.der gefraotionneerd worden in fra~

tionneerko10mmen, hiervan is een geteekend om dit aan te ~even, een verdere

be-handel ing van de olie is echter geheel afhankeli .1k van het doel waarvoor deze

gebruikt wadt.

Ruwe 0Rgave van de gevonnde hoeveelheden.

Per uur wordt aangevoerd 1200 kg CH;3Cl, dit levert na de kate1~,se een productie

ven 850 kg silanen, waarvan 47R kg dtmethyldioh100rsilaan en 375 kg

nevenproduc-ten. De 4'/5 kg silaan - 440 L worden gehydrol"seerd met 1000 L water, bij deze

hydrolyse ont steet dan 220 L olie per uur.

Voor een produotie van 8nO kg silanen zijn nodig ongeveer 180 kg Si, dit komt

OTeraen met 200 kg katalysatormassa, besteande uit 90 ~ Si en 10

%

Cu, per uur. Literatuur.

E.G.Roc.ow, An introduction to the chem1stry 0' 511100nes

C.A.Burkhard e.a. Chemical Review

!i,

97 (l93?)

Winton Patnode and Dondel F.Wilcook, J.Am.Chem.Soc •

.rui

(1916) 3118 U.8.Patents 2~80995 en 23899:31.

(15)

•

6

-Voor

hu

Tind~n we door deze soort koeling de Tolgende formule:

hu •

O,~8 ~

Reo ,f>e P/, ,3 (King en Knaus)

en ingcnu1d:

hierin ia:

D - diameter in ft : 2 ft

v • snelheid in rt/hr s 7200 (we nemen .en een watersnelheid 2

ft

~

see)

---p

•

dichtheid in lbjcubft. 61,99

JA-

Tiscositeit in lb/ft hour - 1,65

d • dikte wand • 0,5 ft

Ki

=

36,2. - 0,016 T , thermische geleidbaarheid Tan st •• l

Ka -

0,~64 • thermische geletdbaerheid von water bij 100° F

c • 0,997 bij 100 F o & soortelijke warmte

ingevuld: dQ ,.

____________________

A~!

___________________________

__

°

05 1 · ~- + ---37,8 -

°

~8 ~64 (~I_~_~~!~g~-~_iL600)(I ,~e (4 5)(\,3 , 2 1

,

6~ , dQ AAT , - Ö:ÖÖ?~

.

. . . .

. . .

• • • • • •• • • • • (2) A -

~~~

x 2 Ir x 1 x

h ·

0,39,505

Stel-Ien we nu in vergelijking (1) i~o

=

y

dan wordt

:,{Q ..

°

,0133 (224 - .. / )

.

. . . • . . • • • (1 .. )

in Ter~elijking (2) wordt 6 T gegeven door het temperatuurversohil van binnen

en buitenkant van de gekoelde wand. buitenwand· 1000F • 560° R.

Temperatuur binaenwand • x.

ingevuld • • • • • • • •• • • .- • • (2&)

We stellen nu (la). (2a)

0,0133 (224 •

_-

52,94

_-

(x - 560)

-- '--" - 52,94 (~ - S,6)

(16)

•

- 4

-ijerekening koelruimte van de sinteraven. Literatuur: Mee Adams Heat transmission

Walker Lewis, Mc Adams, Gilliland, Principles of ohemical Engineeri~

Perry, Chemioal Engineer's Handbook. diameter oylinder 2ft

len~e cyl inder fift

doorvoer per uur' 200 k~ katalysetormassa • ~10 lb s.g. Si . 2,4 kg/dm3 s.g. Cu 8,8

k~dm3

s.g. katalyse.tormassa 0,9 X 2,4 + 0,1 X 8,8. 3,04

k~

/

dm3.

189,8 lb/Cbtt

VOlumen/ uur • 2,275 ob ft

Nemen we aan, dat de massa een helf uur in de koelruimte verbli.ift, dan is het oppervlak van segment

G :

t

j'

, I

2!27~

• 0,23 slft

2 X 5

We kunnen dan de lengte van bijbehoorende koorde onzoeken. b · 1,325 1t

stralend opn. • 5 x l,32n • 6,6 ft2

L

0( • 82°

, voor de berekening van de koelru imte TflO de

\ - _ I

_1_

, /

I

-

- -'-) Iloven doen we de voll!;ende iumnamen:

Ie. De warmte wordt alleen afgevoerd door / ' /. / / .. ' : ; , ' / i "

l /1 t /

stralin~, de geleiding ~rdt verwaarloosd.

I

Door de, zeer hoge temperatuur van de kate.1ysetormassa is deze aanname aan het begin van de koeler niet onredelijk.

2e. nemen we een willekeurig segment, dan staat de katalysetormassa al zijn warmte af aen de wand binnen het segment, we nemen dus 8an, dat de straling die naat links en reohts verlo~en gaat gelijk is aan de warmte die de omlige:ende se~enten aan di~ segment afgeven.

38. de gekoelde buitenwand Tan de cylinder heert over de ~ehele lengte een

oon-stante temperatuur.

~e.

er gaat 440

l~hr

door de ave,n, de massa blijft een half uur in de

koelru~

te.

(17)

..

- 5-

-De warmte die uitgestraald wordt, wordt ~egeven door de volgende

vergelij-king: _Q._(J._{A. FA· FJi;} _:I

_{(1:&;) -}

T 4 _(rOÖ)T 4 _{, ..}}

Q in B. T • U. / hr T &n {IR

A oppervlak in sq.ft FA is faotor voor ovenvorm

cr •

0,1'13

FE

oorrectie voor niet zwarte lichamen.

Bekijken we nu een willekeurig segment

met een lengte van ~ f t , dan is:

A •

~

x 1,32 ft • 0,11 sq ft.

1 '

FE

is bij deze ovenvorm: l----~----\

- + ... - 1

Pi P2

stralings en absorptiecoëfficienten respectievelijk van de stalen wand en van de keta1ysatormessa.

Pi bij 4200F - 0,62

o

980 F • 0,73 extrap ol eren we tot 18000 F dan kri ,i gen 'We Pi·.:t. 0,815

P.a

s 0,8 (stralin~scoërricient van zand)

IngeTUld krijgen we voor

FA

is-voor deze ovenvorm . '

1.

1

:1:---:1:----0,8 + 0~5 - 1

• 0,7

Vullen we dez e waarden in de formule in dan kri ;gen we :

Q • 0,173 x 0,11

\

(~)'

-

(&)'

1

De katalyse.tormassa komt in de koelruilte bij een temperatuur van .:t. 22000 R en we

willen deze afkoelen tot een temperatuur van .:t. 7000R. Bekijken we nu het eerste

segment bij het begin van de koelruimte dan is de uitgestraalde warmtehoeveelheid

rA

Q • 0,0133

. .

.

. .

• (1)

waarbij ~ de temperatuur van de binnenWand is.

Deze hoeveelheid warmt e moet geH,ik zijn aan de warmte die 9. f~evoerd wo rdt door

de ovenwand die van buiten gekoeld wordt. TemPeratuur koelwater 100~F.

Voor deze 'Warmte vinden we

1

U·

(1----1-K;

+ fi~

dQ • U • A • dT

(18)

I

"

-v>

-Tri and error.

/

--I.,6jJ

x-~

!!.1'

-

= 7 =

-Door Tersohillende temperaturen aan te nemen voor de stralende massa krijgen we

10 de oorresponderende wandtemperaturen. temp.katalysatormassa in OF 1?t.O 1640 1540 1440 1040 840 640 240 temp.wand in

°

F 159 148 1~ 133 126 115 113 106

We kunnen dus de temperatuur Tan de binnenwand in eerste benadering oonstant besohouwen en 1300 F.

Hieruit is de lengte van de koelruimte, die wij op

n

ft ~esteld hebben ong~

Teer te berekenen.

Q • 52,94 (130 - 100) • 1588 BTU hr per

tr

ft lengte

Verder weten we dat er per uur 440 lb katalysatprmassn door de oVen gaat en hier·

o

bij 1500 af.koelt.

S.W. Si • 5,74 + 0,000617

~

-

lOlOOO~1~

,S.W. Cu • 5,44 + 0,001462 T

Nemen we een gemiddelde temoeratwJr Tan 12000F aan en aen verhouding van 90 ~ Si en 10

%

Cu dan wordt de gemiddelde

a.w.

0,21.

Er wordt dus afgestaan 440 x 1,1500 x 0,21 • 138600 B.T.

u

i

hr lengte in fe et is dus

ï~3~~~~ä

•

.:t.

7

rt

Bij oonstante wandtemoeratuur is ook het verloop Tan de temperatuur als functie Tan de lengte te berekenen.

We ~eten: I I

I

I ., I

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

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

_

.. -I •

. .

dt •

!

_v dx (3 ) ste1: V" • FA. FE • K .. -<- - -

-

,1

.

---

7 C>

7 -

~~

v • snelheid c -.

s.w.

Y •

S.G.

(19)

• ,..

r

8 -; Q .. - edT

f

F dx

. . .

.. - e1. dt dx

Stel (3) gelijk aan (f)

IJ' • 4 1

- 01 dT • b" _{(Tx - T}_{w ) ;}-,Wc

stel:

_--f----"

1

Tx - T"

dit geert uitgewerkt:

(4)

(4) stel stel:

~k.~

_

~

x + co

l-~,;h~-T;·

4

~;3Á ~\;

+ 2

::h-!~

voor X " 0 hierin is: ingevuld: 1 - T+T" .. ----S In --- + 4 T" T - Tw T .. 0 1 T - ; : , bgtl!;-2 Tw T" T + T" 1n ----"",-+

T - T"

T 2 bgtg;...- -T" (1 To + T" n - - - + T

o -

T"

T

+

T"

T

.. - - - + 2 b~g - - ( T - T" - . T_w fT .. 0,17~ FE ,. 0,7 FA .. 1 b .. 1,325 ft _ T_{w "} .OR ~ . T + T" 1,~ • 10 X" In --- + T - Tw e ,. 0,21 v

=

10 ft hr

r·

189,78 lh/ eb ft F .. 0,23 sqft - T

6

2 bgtg T" - 3 ,16JB T(l 2 bgtg --)

T"

)

Vullen we hier de versohillende waarden voor T in den vinden we de bijbehorende x

T .. 2200 x .. 0 .. 1900 .. 1 .. 1600 .. 2,9

..

1300 .. 7,<? .. 1000 .. 18,2

..

700 .. 70.