Fabricage van HF ten behoeve van fabricage Teflon

FABRICAGE VAN HF J.C. HOOGEVEEN december 1956 Il\"EOUD: Teflon bereidin~ Fabricage van l~ Inleidinc 3ereidingsmethoden

Korte 3eschrijving apparatuur ~ateriaa1 en warmte balansen

Warmtewisselaar Specificatie warmtewisselaar Literatuurlijst pag. 1 2 2 2 4 6 10 23 24

o

{ 1 '''-.../

T e f I o n b e r e i d i n g

Teflon wordt bereid door polymerisatie van _C2F

4, tetra -fluoroaetheen volgens de reactievergelijking

De belangrijkste synt~ese van C₂F

4 is de pyrolyse van CHCIF2 monochloordifluoromethaan (Handelsnaam Freon 22) .

Het rendement voor pyrolyse en polymerisatie is boven 95%. Over de fabricage van Teflon zijn in de literatuur zeer weinig gegevens bekend. Wel zijn er in de patent literatuur

±

50

patenten over Teflonfabricage en verwerking, met maximaal een aanduiding van semitechnische fabricage.

De invoer aan Teflon in Nederland VlaS in 1953: 105 kg, van 1954 onbekend en in 1955:375 kg. De gemiddelde prijs is Fl.lOO.- per kg (staven, platen).

Bij een productie van 1 druppel per seconde zou de jaarlijkse productie zijn

00

druppels ... I cm3 ) :

60x60x24x300 30

Dit betekent bij een soortelijk gewicht van 2,30: O,9x2,3xlOOO kg

=

2000 kg

ofwel meer dan 5x de invoer in Nederland in 1955.

In dit licht gezien is het dan ook duidelijk dat de Teflon productie vrijwel alleen semitechnisch plaatsvindt. Teflon wordt gemaakt als nevenproduct van de fluor-verwerkende

industrieen.

In overleg is daarom het fabrieksschema opgesplitst in twee delen:

1. HF bereiding ( J. C. HoogeveEn)

2. Freon 22 bereiding + se:ll. tecnn.Teflon bereiding (K.J.M v.Drunen)

o

~---

---F a b r i c a g e van H F

IN:iJEIDUJG •

HF wordt bereid door reactie van H

2S0 4lgeCOncentreerd) met CaF 2 volgens de reactievergelijking

Het HJl eas ontwijkt en wordt na wassine gecondenseerd. Bij de bepaling van de optimale reactie temperatuur spelen verschillende factoren een rol: warmte economie, corrosie, kwaliteit van de verkregen gi,s en reactie snelheid.

De reactie temperatuur is in de praktijk 20000, waarbij de gips niet doodgebrand wordt en de corrosie geen onoverkomelijke moei-lijkheden geeft.

De I~ productie neemt sinds enige decennia sterk toe doordat steeds meer gebruik wordt gemaakt van fluorhoudende producten; Enerzijds door de grote agressiviteit b.v. bij de aluminium bereiding waar het A1₂₀₃ overGevoerd wQrdt in het fluoride,

-t cC (1,( \,

/ anderzijds door de grote inertheid: F~s, Teflon.

De U.S.A.-productie is op het ogenblik + 50.000 ton/jaar tegen 8.500 ton/jaar in 1935.

Het HF is zeer schadelijk voor de gezondheid door blijvende aantasting van ogen en adembalingsorganen.

BEREIDIHGSMETHODEN.

Er is eigenlijk maar één bereidingsmethode van HF nl. de ontSluiting van vloeispaat .

Andere mineralen zijn - nog - te duur, zoals\ Cryoliet Na

3

ÀIF

6

1

/1

en fluorapatiet Ca₁₀l!'2 (1'°

4) dat slechts

4%

Fluor bevat en

r --1j( '. ct ïr. (',. 1

;2.1, "

I~~~' ( ,

o

.~

v

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

7

,~~l '\..j-Î -< ~~ \ oe

~

, I \ J - 3

-daardoor onrendabel is, terwijl het tevens veel kwarts als ver-ontreiniging bevat en daarom alleen toepassing vindt als aan-vulling voor de van SiF

4 afgeleide verbindingen. Deze laatste

vinden toepassing als insecticiden en in keramische

industrië-en (opaliserindustrië-end glas) .

De methode van ontsluiting is in de loop der tijden sterk gevarieerd: van discontinu tot tegenwoordig continu.

Daarbij zijn er twee reactortypen te onderscheiden:

A. Een stationaire reactor met ingebouwde transport- en meng-inrichting.

B. Een roterende cylindrische reactor (l.G.Farben ty~e), welke analoog is aan een roterende droger.

Deze heeft een stalenwand van 3 cm dikte met vervangbare stalen binnenbekleding, welke

±

2 cm dik is. De voordelen van deze laatste zijn wel de sim~ele en goedkope constructie

waardoor vervanging relatief goedkoop is. Nadeel is dat de corrosie niet tot een minimum beperkt is, waardoor reparatie en controle o~onthoud.

Toepassing van - dure - meer corrosiebestendige metalen, zoals onder A, is echter minder economisch waardoor men tegenwoordig vrijwel alleen het l.G.Farben type toepast. Grondstof is het vloeispaat, welk erts grondig wordt gemalen, daarna door flotatie het CaF

2 afgescheiden van de Si02 houdende

verontreiniging, en vervolgens gedroogd.

H_{et verkregen CaF 2} heeft dan een hoge zuiverheid verkregen

97,5 - 98% _{CaF 2 ,} 0,05~b max. S, 1 ,0~0 max. _{Si0 2 en CaC0}

3 als

overblijvende component (1,5-2,5%).

Het is nagenoeg poedervormig; 45% door 325 mesh,

1%

op 100 mesh. Dit heeft tevens het voordeel dat de reactiviteit van het _OaF2

veel groter is geworden. Soms wordt nog wel verder gemalen.

Ook het H

2S04 werd met verschillende concentraties

toe-gepast, vooral vroeger toen het lodenkamer proces van groot

belang was. Daarna is men naar steeds hogere concentraties gegaan en wordt nu E

2S04 98~~ toegepast (minimaal 96%) . Hierdoor daalde

het H

20 percentage sterk in het ontwijkende riF gas.

Hetgeen ook bl ijkt uit de partiaal spanningen van _H2S04 en H₂₀

bij

±

200°0 boven H_2S04 98~. 204°C _{Ph 2}S0₄ 5,9 mm, 9,8 Olm, 0,0 mm 1,5 mOl -4

o

, \

• i '-.../

- - - I

4

-Men voegt een overmaat van 5-10% H

2SOA

.

toe, om het

reactie-evenwicht gunstig te beinvloeden naar de kant van het ontwijkende

HF, daar het _{CaF 2 ca. 3-4} maal duurder is dan het H

2S0₄•

Er staan verschillende wegen open om het HF te condenseren

en/of te absorberen.

Bij dit fabrieksschema stond het doel voor ogen om HF 100% te maken, waarbij tevens 60% lP als nevenproduct wordt gemaakt.

Deels omdat dit een normaal handelsproduct is, maar ook omdat

het uit veiligheidsoverw'egingen van belang is de overblijvende

leklucht zeer grondig va.n fluorhoudende verbindingen uit te

wassen en da.n pas in de lucht te laten ontsnappen.

Indien men waterhoudend HF wil maken, zoals gebruikelijk,

kan men met voordeel water inspuiten in het HF gas.Hierbij daalt

de temperatuur waardoor het }& met water gedeeltelijk condenseert.

Het binaire systeem H20-EF bevat een azeotroop: 38,2 gew.% HF met kookpunt 112,200 bij 760 mmo Kookpunt ELF 100% 19,400.

Kookpunt H

20 100°C.

Wanneer de damptemperatuur beneden ~ 850C gedaald is, is tevoren

vrijwel alle aanwezige water met fP gecondenseerd. De

overblijven-de damp bevat weinig water en kan met weinig water en/of koeling gecondenseerd worden. Men verkrijgt dan een condensaat met hoger

%

1& en het resterende gas dat vrijveel SiF

4 bevat wordt met

loog gewassen.

Door destillatie kan men alsnog als topprod. HF 100% verkrijgen

als bijproduct. Men kan evenwel moeilijk tot de azeotroop als

bodem9roduct destilleren daar dit zeer corrosief is.

In stalen tanks kan J:-lF worden verstuurd met een minimale

concen-tratie van 60% gew., waarbij het geringe % SiF

4 verontreiniging

een anti-corrosieve werking heeft. Het hoofdproduct is daarom ook 60% ~~.

KORTE BESCJ:-ffiIJVING .l\PJ? ARATUlJR.

CaF 2 en een deel van het i'I

2S0 4 worden direct toegevoerd

in de reactor. CaS0

4 met de overmaat H2S0 4 komen in de

neutrali-satie tank waarin water en CaO toegevoerd worden onder roeren.

Het slib laat men in een vijver bezinken en het overstromende

water in een tweede bassin, waarna het als afvalwater geloosd kan worden. Het CaSO 4 kan ui tgebaggerd worden.

o

.'..1

5

-Het ontwijkende EF wordt eerst gewassen in een gepakte kolom

met _H2S0

₄

,

welke daarna weer naar de reactor gevoerd wordt.

Dit _{H2S04 absorbeert daarbij de H20 en} H₂Sü

4 uit het gas daar

het bij een maximum temperatuur van 120°0 deze wastoren verlaat,

dus aanmerl\:elijk lager dan de reactor temperatuur. Accumulatie

van het H20 is niet te vrezen, doordat !let g_eringe y~atEê.r met de

hygroscopische OaS0

4 en overmaat r12so4 afgevoerd wordt.

De gepakte kolom heeft het voordeel van bedrijfszekerheid, sim

-pele uitvoering en intensief contact. De kolom kan worden ui

t-gevoerd van staal, bekleed met een Teflon deklaag en koolstof of

Teflon Raschig ringen als vulling.

Ea deze kolom volgt de caskoeler waar het hete HF gas

gekoeld word t met vloeibaar I-.Ji1 dat rondgepompt word t via een

warmtewisselaar. Directe condensatie van het hete }~ gas tegen

een metaaloppervlak heeft bezwaren van grote agressiviteit bij

de fase overgang gas - vloeistof. Ook hier is de gepakte kolom

- - -

-bedrijfszelcer, sim:gel van uitvoering en het contact intensief.

De rondgelJompte I-::F heeft een bufferwerking: behalve de

soorte-lijke warmte van de vloeistof is er de relatief veel grotere

verdampingswarmte. :::et tekort aan rondgelJOmpte EF wat bij even

-tuele verdamping kan ontstaan,lr:an weer aangevuld worden.

In de warmtewisselaar wordt waterkoeling toegepast wat

~ veel goedkoper is dan de uiteindelijke koeling in de condensor.

Van deze gaskoeler gaat het l-:F gas (op dauvJpunt) via een andere

warmtewisselaar naar de condensor. De gecondenseerde HF van

-25°0 word t via laatstge~oemd~ -~~rmtevJiSselaar naar de HF 100%

opslagtank gevoerd. 1,./1<1 ~ (\ ht-.

2

Ui t de cond ensor komt het inerte gasmengsel van

rJ

2~

~'

en

het SiF (kookpunt 760 rnm: -9500) . Eet SiP 4 wordt met 'hèf--over

-blijVen~e

HF geadsorbeerd in een

ge~akte

kolom waardoor loog

rondgepompt wordt.

Eet overblijvende luchtmengsel met zeer weinig EF en SiF

4

wordt aangezogen door een waterstraalpomp waarna de leklucht kan

ontwijken en het water gebruikt wordt voor verdunning van het

100% HF tot 607~ HF waarbij deze samenstelling gecontroleerd

wordt door de mengtemperatuur in de menger.

,

r. L.. J I lt. -6

1 .

t '

o

, .'--...-. ,-- 0 -I • C .... , "\ /) IJ \, D " l Materiaal en Warmte balansen~ - ~

, / IN REACTOR. \ 100 x ~/'2 lole 1

o

l'l . I 3311 molen

(~eactie rendement min.85% t. o.v.Ca~

ij? lS 'con:::: 500 .000

r.J.?~~-;i-~1

dag

1

294.000 molen CaF\2/dc=12. 250 mol/ilr=204 rn.ol/min=3 ,402 mol/sec=

22 ,9L~ ton Ca:b'2/dL == 356 t:g/L~r

=

15,92 ~cdmin = 265,2 gr/sec De C3J:!'2 .srondstof is 98~b zuiver.

23.4 ton _{CaF 2} 985Vdt=975 lcg/:lr=16,24 kg/min= 270 ,5 gr/sec ~~et schijnbaar soortelijk gerricht is 1,5.

15,6 m3 CaF 2 985V db = 180 cm3/ sec

\1

323.500 molen ~I2S04/dg=13. 460 mol/hr=225 mol/min=3;75 mol/sec=

31,7 ton ~I2S04/dg = 1323 lcgfrèr :::: 22,0 kg/min = 367 ,5 g:olsec.

\/ '

32,3 ton E

2S04 985b!dg=135C l::Vhr=24,5 kcJmin=375 sr/sec.

Het soortelijk gewicht van E₂S0

4 985& is bij 20

0

C 1,836

17 , 6 m3E_{2SO 4 98'iV} dg = 202 cm3/ sec .

UIT REACTOR.

CaS0

4 max. 3,402 molen/sec=462 Lr/sec= 40 ,0 tonCaS04/dg

H₂S0

4 max. 10% overmaat = 3,17 ton/dt } Totaal

3.eactie over~;laat = 0,15 x 28,6 :::: 4,3 toni dg 7, 5 to~g

H₂0 ma,'{. 32,3 - 31,7 = 0,6 ton/dg lieutralisatie tank:

CaO max.

L2

x 56 = 4,,3 ton/dl::';

98

o

",--",'

; '

-- 7

-Toe te voeren reac tie vvarmte max. 294.103x18, 9=7 ,45 .106kc al/dg

Voor de verwarming van Ca:B'2 en E2S04:q~c. c1t.

CaF₂ 294.000x18,52x180=994.106cal/dg=0,994.106kcal/dg

IN Gas 6 8 6 16,16.10 xO,38x180=11,1.lO cal/dg=1,11.10 kcal/dg Totaal 10 .106 kcal/dg ADSORBT IEr.:OL011. Tot. .r 7 mm H 2804 1;':0 35 mm ,T 0 ;:2 max. 5"" ~;o 3 mm <:l'F _{I.:>l 4} 1?2G_"S I / 25 mm Leklucht 3:1/27'0 680 mm HF 90 ~'o 760 mm TT 100 c;b ll.g /

10.000 kó l-IF/dg=416,8 k&lhr=6,95 k&lmin=115,77 gr/sec= 500.000 mol r-ili'/dg=20.840 mol/hr=347 mOl/llin=5,788 mOl/sec

100

Aan gas treedt er totaal in: 90 x 5,788 mOlen/sec=6,44 mOl/sec

H

2S04 11; = 0,0644 molen/ sec=6 ,31 gr/ sec H20 57'; max_{. =} 0,322 mOlen/ sec=5, 76 gr/sec 8iF

4 lI '2cI b = 0,0322 molen/sec=3 ,35 gr/sec

N₂,02 mol.g-ew 29

•.

%

3-12 0

=

0,225 molen/ sec=6, 5 gr/ sec

Totaal 21,85g:q'sec

IW + Rest: 115,77 + 21,85 = 137,5 gr/sec.

UIT ADSO RBT IEKO LOIVI •

In de kolom worden H₂S0

4 en H20 geabsorbeerd Uit de kolom treedt dus aan gas

137,5 - 6,31 - 5,76 = 125,43 gr/sec

o

~--- - - -

-\,

\-j

I'

j

- 8

-In de adsorbtiekolom wordt HF afgekoeld en H

2S04 en H20 gec ond enseerd. De uitgewisselde warmte is (C _p HF

=

0,35 cal/ grOC .l. HF 137,5 x 0,35 x 80 H₂S0 4 6,31x 122 H₂₀ 5,76x 470 Totaal

=

=

= Qcond.H 2

so

4

I

,

'." con d• rr"2 o 3840 cal/sec 770 cal/ sec 2700 cal/ sec 7310 cal/sec CE2S049ö~~

=

0,390 cal/grOC = 122 cal/gr

=

470 cal/ gr (6,tI x c X ~ t = ,0~ x 0,39 x 100

=

7310 c all s ec i~( U \1 Het H

2S04 wordt dus in tVlee r~ gesplitst: 188 gr/sec gaat door de adsorbtiekolom.

376,5 - 188

=

188,5 gaat direct naar de reactor.

GASKOELER.

In de gaskoeler treedt 125,43 gr/sec gas, bestaande uit

HF 96%, lT 2 ' 0 2 3" J/'2d. ;o , ",S . F ).. 4 • -/ '2d. 7° • \) ti \, ) ,,-\0'-1 ,1 -' _ L l ~ , ,.

Het gas wordt gekoeld 'tot 20°0 (dauwpunt) waarbij uitgewisseld wordt aan warmte

Q

=

G.c_p.i1t

=

125,43xO,35xlOO

=

4410 cal/sec.

Deze warmte wordt door het r.rndgepo. mpte HF opgenom~n.

\ 0-( (, (e ( (r... c>

r

{ l

1.c1

;~k~

".~ PART IEEL COND:2lTSErtEITDE Vi ARI.·ITEi,f IS SELAA...tt.

?

(k'

J ,

--In deze warmtewisselaar gedragen N₂,02 en Si~'4 (kpt.-9500) zich als inerte gassen.

Uitgaande van geen condensatie in deze warmtewisselaar komt de totale HF als vloeistof van -25°C terug.

o

,

.~

.

_,

'-~

o _..J

Deze vloeibare ~ wordt opgewarmd tot + 100C. De uitgewisselde warmte is dan

116 x 0,83 x 35 = 3370 cal/sec De condensatiewarmte van IIT is 361 cal/gr.

Er zou dus 3370/361 = 9,34 gr~&/sec condenseren.

Door dit als correctie toe te ,assen wordt verkregen:

(116-9,34)xO,83x35=106,7xO,83x35 = 3100 cal/sec aan uitgewisselde warmte en 3100/361 = 8,59 EFcondens/sec.

Weer gecorriseerd levert dit:

(116-8,59) xO , 83x3 5=107)5:4xO ,83x3 5 = 3120 c al/ sec.

HFcondens 3120/361=8,65 gr~~/sec

(116-8,65)xO,83x35=107,35xO,83x35 = 3123 cal/sec.

Hierdoor is de berekening op rllinder dan 1% onnauwkeurig geworden.

Er wordt dus 8,65 grEFcondens/sec gevormd waarbij 3123 cal/sec uitgewisseld wordt.

CONDENSOR.

In de condensor wordt het gas gekoeld tot -250C en daar

gecondenseerd.

Er wordt aan warmte uitgewisseld:

107,4 x 0,35 x 45 = 1695 cal/sec 107,4 x 361 =38800 cal/sec

Totaal 40495 cal/sec

De partiaal spanning van }~ bij -2500 i~ 0,25

De verhouding inert/rIF wordt 3 : 1.

---Aan inert zijn er 0,0322 + 0,225 = 0,258 molen.

Behalve 3,35 gr SiF

4 en 6,5 gr H2,02 ontwijkt er aan I-IF uit de

condensor

Y3

x 0,258 = 0,086 molen/sec = 1,72 grHF/sec.

De gecondenseerde El' w'ordt teruggepompt naar de warmtewisselaar.

-

----_

.. -_. -SiF

4 AIlSORBTIEKOLOM.

In deze kolom komen 0,0322 molen SiF₄/sec en 0,086 molen HF/sec welke worden geneutraliseerd volgens de reactievereelijking

SiF 4 + 2 l-II" + 2 Nam: ... iTa_{2SiF 6} + 2H₂0

Er wordt dus aan loog verbruikt:O,OB6 mol NaOH/sec=3 ,44 grNaOH/sec.

Van een 10% NaOH oplossing dus 34,4 cm3/sec = 3,12 m3/dg.

. _{, ,} , , ',' I ( (I l /

!

I( ( :

.

- -

. r--

I '-, / - 10

---~

o

\ , '

-- ~C'

-WARMTEWISSELAAR

Hiermede wordt bedoeld de warmtewisselaar welke

gekop-peld is aan de gaskoeler. De warmtewiselaar koelt vloeibaar

\ HF door middel van koelwater.

( Deze combinatie gaskoeler - vloeistof-vloeistof

warmtewis-selaar is gekozen uit het oogpunt van bedrijfsveiligheid.

Een andere mogelijkheid was nl. het }W gas te koelen tegen

koelwater. Dit heeft het bezwaar dat door de grote agressivi

-teit van het hete HF gas (120°0 max.) de corrosie veel sterker

is.

De gekozen combinatie is te zien als "mengcondensor"

(in simpele uitvoering) en warmtewisselaar. Het toepassen van

alléén een mengcondensor is duurder daar men door middel van een koelmachine condenseert en men dus niet gebruik maakt van

het goedkope koelwater voor het temperatuur traject 120 - 20°0.

De goede warmteoverdracht tussen vloeistof - gas in de gepakte kolom en die tussen vloeistof - vloeistof in de

warmtewisselaar zijn in de gekozen opstelling gecombineerd. Het bezwaar van de opstelling is, dat de

koelwater-temperatuur lager moet zijn dan 14°0, wat in Nederland wel te

bereiken is. Als de koelwatertemperatuur 20°0 zou worden heeft

, in bedrijf zijn van de warmtewisselaar geen zin. Dan dient er

: slechts weinig HF rondgepompt te worden (door een ander circuit)

!

en wordt de verdampingswarmte van het reeds gecondenseerde HF

\ gebruikt voor afkoeling van het gas in de gepakte kolom.

lEen relatief dure noodoplossing dus.

t(

I

,!/c"-

'L. ~, f « - I '~, ,. " v ' . ( i" h , d « ' . ! (1 ' .. ' "t. .. t ' , , \ , , ' ( '-. ~ ( I . ' \ \ \ (,; " ' ! .1 y { (\'\. {,I_ ; \\. (ft i' (( , . ',' '-~, i. I . ,- '" .. \ r ~ . ,.- I, \ \..' I • ,J i ~ . • (' f \, ( \ ~ , \ \ I

~'1

I " ' ! . . \ \ I ' ( f Il . • I ! tI": :., l~i!{-.\-/ ( I,i , t ) l t ' -11

~---_. - ~

-o

o

') \ '/.. , j ' I i - 11-

-.

.

Berekening.

Als algemene warmtewisselaar- en verpompingskosten

bekend zijn t.o.v. de uitgewisselde warmte, dan kunnen de variabelen (die bepalend zijn voor eerstgenoemde factoren) gecombineerd worden in een functie A. neze functie heeft een

minimum welke bepalend is voor de optimale, dus goedkoopste

functionering van de warmtewisselaar. lh.I', 1\1\1 'L,

~ij het ~ Doet de eerste afbeleide van deze functie

nul zijn. Deze afgeleide functie TI bevat echter ook dezelfde

variabelen. Daarom heeft men in deze functie 2 hoofdvariabelen

onderscheiden _{(G i en} Go ' de massasnelheid) en de andere

varia-belen in (zo mogelijk dimensieloze) groepen ~ecombineerd. Bij een bepaalde pijpdiameter kan men daardoor de optimale

waarden hiervan bepalen, waardoor de andere variabelen ook zijn

te berekenen.

Bij de volgende bereleenineen is dit voor drie pijpdiameters uitgevoerd n'411

, ~/2" en 3/411) en tevens is getracht zoveel

mogelijk tegenstroom toe te passen (geringertemperatuur verschil!) .

Gegevens.

De warmtewisselaar dient uitgevoerd te worden van monel,

vanwege de grote agressi vi tei t van :~:!:i'. Om zo min mogelijk van

dit dure metaal te gebruiken wordt het I-~ door de pijpen g

e-pompt en kan de romp in staal uitgevoerd worden (resp. de buiten

-pijp) .

Berekening van de uitgewisselde warmte en

vloeistof-stromen.

Gaskoeler: 126 gr ~F gas! 120-20°0

-- ,

<-Q

=

G.cp.ót

=

12óxO,35xlOO

=

4410 cal/sec.

Koelwatertemp. max. 14°0 T;P in w.w. 20°0

H20 in 14 oe } d t=4 oe

H

20 uit lSoO

Apparaatkosten :C'l.5,-/SCl.ft. jaar. ~<

I .... \

i:·

5 . ~ 'I. Verpompingskosten Fl.O ,04/k':f-hr.

iRF

= Q/c4t = 4410/0,S5x5

.0

H20= Qj cAt = 4410/1x4 = 1040 bI/ sec

=

11C 2 gr/ sec

=

7900 lb/hr

=

8700 1b/hr -12

r - - - -- -

-- 12

-Symbolen.

Symbolen met index i hebben betrekking op HF, met index 0

O"Y'l TT 0 l:' H2 . él., B, F, A C CA c D G K L

U

_N IJ Q t U v ~r tl ~

t

)..

0

f

U

F ,

s i, fi, n, Re en Z zijn dimensieloze constanten.

oppervlak verpompingskosten apparaatkosten soortelijke warmte diameter pij)en massasnelheid

karakteristieke factor

pijplengte aantal pij2}en drukverschil warmtestroom tefi]?eratuur totale warmteoverdrachtscoeff. snelheid pij]?afstand warmteoverdrachtscoefiicient dynamische viscositeit warmtegeleidingsvermogen massastroom dichtheid 2 f.1..2 m , LJ gUlden/ft.lb 2 gulen!ft BTU/lboF fi, ft 'rj _{l'~ m} 2 cal/ sec

°c

oF BTU/ft2hroF ft/ sec,

mi

sec. ft BTU/ft2hroF kg/msec, lb/hr.ft ,c.p J/msecoC, BTU/ft.hr~ kgf sec, lb/hr kgfm3 , lb/ft3 -l3

o

,--- -- - - -- - -

-- 13

-Gegevens. (vervolg)

Dimensieloze constanten:

al = 0,055 _{a 2} = 0,34 8 3 = 0,023 a4 = 0,33 a 5

=

1~0 Bo

=

1 CA = 5 gulden/ft2jaar 6

~

A

= 3,45.106 C

=

1,45.10- gulden/ft.lb o. = 0,85 cal/gr

=

0,85 3r_rU/lb°1!'

l Co = 1 cal/gr = 1 3TU/lboF

10

= 1

c.

~

.=

1.10- 3kg/msec = 2,42 lb/hr.ft

-7

i = 0,53 c. p.

=

0,53.10 -3 kgf msec

=

1,22 lb/hr.ft / i

=

lOOOkgfm3

=

62,4 lb/ft3

10

= lOOOkg/m3

=

62,4' lb/ft3 ,.{. l Berekening.

;(

=

O,58J/moCsec=O ,34BTU/f& Q

Bij de berekening werd de methode gevolgd beschreven in

"Eeat Transmissionfl van

~9f'

.

VI .H. },IcAdams, 2e druk ,1942,

blz. 363 e.v.

Warmtewisselaar met ~'4n pijpen. At _~

=

I

%.

_l

=

Bi T( hi K

°

= = 1 + N a5 a3 1 8₁

f1l

F s Bi al

1.

0,2 2gJ 2

DO,2

= 1 + 2xl,OxO,023 O,055xO,221xl,25 = 4,02 4,02xO,055xl,220,2 11,82xlO-14 = 2x4,17xlO 8x62 ,4 2xO,0142ü

,2

= 2xl,oxO,34x2,420,15xO ,33

=

3,34xlff4 3,14x4,17xl0 8x62,42XÜ,02080,15 -14

o

r

-.

_v

" _ . _ -Z. ₁

=

1 - 24 -25 = - = 1,47 17 P1JP 0,25" = 0,0208 ft= 0,635 cm wanddikte.0,04"= 0,0033 ft Di = 0,17" = 0,0142 ft= 0,43~ cm ;1 1 l i I., ~ \.\ l ~ • , ....

1

0

4 C

'!

0,357 G. = ' .

Ale

.

Ki 1 ( 1 + 1,4t'Z.- 0,21(1+ziI) \ \ 1 (1 + Z) )/ . 0 \0 ,357

=

( 0, 4x3 , 45xlO 6;ll , 82x10 -14 'i, \ ₍ 0,21 C 1+1) )'

!

" 1 + 1 4 1-

J

\ ' 1+1,47 ; 0,267 C" /0 K -v . --0 0 ,351 ( O,286C1+Zo)j, 1 + 1,267 Zo- ---(1 + Z.) 1 i , t ( . , • r ' , ., " " " 'fot, ,( r:l' V . ; • \ " .' I \ \ .u:.-. ~ \ ''l, " ( .. t:. JA -\.'- .". : ( J It·~. I I. - \ j . / l \\. '~ " L. \ . ' fiu' !'-J', "r)t.,· U' 2.,,' . I f

&Jt

_k,

fJJ;1

.J ~l1,h elI. " ,v /,. " I" i~l ~P~

t/v

\

I _ ' 'I... \re { ~ ,.., . - " , ( lU ~ . \ \ \.ot'1 \ iA. - I = 5 = 9,35x10

=

_ ( 0,267x3,45x10 /36 ,34x10-1 4

'J

O,351 - (1 + 1,267Cl,47_0,286(1+l,47J.) 1 + 1 = 14,45x10 5 G =

f

.V v.= 9235xl0 5 = 1,508xl0 4 ft/hr = 4,18 ft/sec=1 ,28m/sec 1 ₆₂ V = 14;45X105

=

2,34x104 ft/hr =6,48 ft/sec=1,97m/sec 0 2 -15

o

',,-! 0< i 1 TI - 15 -o(i ~-o.G. 1 1 a 3 0 G =

,l~;,)

,2

(C;\

~f3

=

= 1020 BTU/ft2hro}!' 1 d 1

=

-

+

-

+ ""i Àw 0(0

=

0,0025

=

24,4 f t

=

7,45 m G. 1 7900 9,35X10 5 ~ 1 + -0<. V U 0,023xO,85x9,35x10 5 l,25(O,0143 X9,35X10

5

)

0,2 (O ,B5Xl'22)

2f

3

1,22 0,31 _ C,33x1,Ox14,45x10 5 - 5 )0 ,4 2/3 1,25(020208X14,45X10 (0,8 5X2,4-2) 2,42 0,34 1

°

_{i00 33} 1 1

=

₁₀₂₀ +

_3,85

+ ₃₉₂₀ + _,1000

=

=

400 JTU/ft2hroF

=

0,0142 x 9,35x10 5xO,85 x _5 ___

=

4 400 1,45 1 .. . d 7,85 54 Het aanta plJgen 1S us 0,-146

=

~ -16

o

c

: .

'."--" r . ~ - 16 -8700

=

14,45xl0 5 2

=

5,6 cm

Constructief is deze warmtewisselaar met ~/4" pijpen onmogelijk

daar de steek van de 54 binnenpijpen te klein zou worden om 5,6 cm2 tussenruimte over te laten voor d~ vereiste optimum snelheid van het koelwater. \

~

{~

lt-\'-1

.7 - }

!Ao( ('-'" .

-

---! AL1(( )bu. {"

, F I I

, .

Warmtewisselaar met :,/2" pijpen.

;\h.< { l t:L L /r\.)~"'" ( ) C I-\ ( tLr l t L L, f. ') L1 t

=

1, 450 C

=

2, 7 oF rrI

=

, Y I " l '" . (-h /,,\.,u,J \\'~['I ' = 0,221 1 2xl,OxO,023 = + ~0~,~0~5~5~x~0~,~2~2~1-x-l-,=2=5 = 4,02

=

2B a /IJ 0,15 Y Ko

=

0 2 l _o 3 14 , .gf' 2 DO,

r;--D

i tm = 2,70], 1.350

F}

t7 1 U· = 1 t.

₌

1 4,02xO 055x1 22°,2 = 9,48xlO-14

=

2x1 ,0xO ,34x2, 42°, 15xO ,33 =3,OxlO-14 3,14x4,17xI08x62,4 2xO,0417o,15 D 12,7 " 0 1,19 U o =

TI:-

=

lë57T

= 1 pijp 0,50"

=

0,0417 ft

=

1,27 cm

wanddikte\o~0411

1

= 0,0033 ft Di

=

0,42"

=

0,0350 ft

=

1,07 cm l ( \..!/! I ti' !

f.

\ \ il)(,rh

,v;

JV"'tG

~

-/

(~,

o

, - - - -',,---,' 17 -G

I

0 ,4

CAI

c

.

Ki )' 0,357

i -

,

( O,21Cl+Z

i1

'\ 1 + 1,4

z

. -

-

.

1 (1 + Zo) ::: 0,357 ::: ::: 1 ,02xlO 6 ::: - - ' 0 351

_

(0

,

267x3 ,45xl06 / 3 ,OxlO-14

~

, 1 + 1,267(1,19-

O.286(1+l.~

1 ", 1

=

1,09xl06 G

=)

. V h02X106 v.= 1 62 ::: 1,65xl04 ft/hr ::: 4,58 ft/sec:::l,40m/sec 0(.. = 1 6 v ::: l ,09xlO o 62 ( c, yJ. 1 ' 1 À~ a L1[ G 3

)

2/

₃ ::: 1,76xl0 4 ft/hr ::: 4,BB ft/sec:::1,4B5m/~

(~G)0

,

2

~ ::: OJ 023xü,g5xl,02x106 1,25(O,035Xl,02Xl06 \ 1,22 ) 0,2 (- OzB5X1,22)'13 0,31 -lB

...--\

U

0(0 1 Ü 1 = -- 18 -6 O,33xl,Oxl,09xlO ,

2/

, 6 ,)0,4 . 3 1,25i

p

,0416xl,09xlO . (0 ,S5Xlz22) \ 2,42 , \ 0,31 /

=

rn34 1 +

"=3;85

0 0033 + I5j5 1 + ₁₀₀₀ 1

=

0,00219 FL

=

D

l

.

(G.

l c. l )' t 2 - tI l . _

=

0,0350 4 1,02xl06xO,S5 x x _5_

=

1,45 Eet Aa 4 Ui

=

57,1 ft

=

lS,7 m 7900 1,02X105 aantal pij:;?en is ~·m 0 8700

=

=

Go 1,09xlO

=

3,1L1r X 1,072

=

4 dus

7

220 _{= 8} 0,900 5 = 7,98x1o-3 457 2

=

7,20 cm 2 0,900 cm ft2 = 7,42 cm 2

Ook deze warmtewisselaar met 0/2" PlJpen is constructief onmogelijk daar de steek van de 8 binnenpijpen te ~.-klein zou worden om

7,42 cm2 tussenruimte over te laten voor de vereiste optimum snelheid van het koelwater.

• / I i \ ..,f-; . '.J , . i 6 .~! ): ' -19

r

o

I

\... 19 \...

-Warmtewisselaar met 3/ 4" :~.üjgen.

q t - - - --

.

1,35 2x1 ,OxO ,023 :3. _].

=

1 + 1 + = 4,02 }(. = ]. ttO,2

rp,2"

-

=

O,055xO,221x1,25 4,C2xO ,055xl,220,2 2x4 , 17 Xl(18~x-6-2-,-4""2"'x--O-, 0-' 5-5-8...,0"..., .... 2- 8,8xlO-14 2,..., _.0 - 0 ,15 0 82 '20 y '::-"0

=

3 14- 2 -:0-0,15 , .g :0. 1

=

---~~--~~----~~~ 2xl,OxO,34x2,420,15xO ,25 3,82xlO-~ 3, 14x4, 17K108x62, 4 2xO ,0625°, 15 t

=

2, 70F ~

t~

=

1.350F } ].

z.

=

1 1 / 0 ,4 C, IC ,-I ~~ ·~i G i ='~-1---- . ...:::-.----( O,21(1+Zi) ~ + 1,4 Z.- -) 1 (1 + Zo)

z

_o

=

=

1,9 1,7

=

1,12 pijp 0,75"

=

0,0625 ft

=

1,90 cm wanddikte 0 ,04~

=

0 ,0033 ft

=

0,1 cm ::J. _]. = 0 ,67"

=

0,0558 ft

=

1,70 cm 0,357

=

=(0 ,4x3

,45~106/

8

,8XIO-_14_,_ \1 + 1,4(1-

O

,

21(1~_)

, 1 + 1,12 0,357 6

=

1,06x10 -20

. . ,

o

[ "---'

c

_o G 0 ,267 C/J" 7 -1./ V • .1:>"0 20 -0,351

=

- - - -

-

----~

(0

,

26720.,

45"l.o~1

I 1 + 1,267(1,12-\ \ / ' 1 ,,~ 1,,0

=

_r·

v v· ₁

₌

,I~ bX \..,' 62 _ 6 V_o = 1,O_Ox10 __ 62 , 2 f")

=

1,71X104 ft/hr = 1,61x104 ft/hr - - -- - - - --- -~--=

=

4,75 ft/ seo=1,45 n{s:c = 4,48 ft! sec =1,37rrfsEC o(i

p;

1 0i

_?J-

_

)'

/..)

0< i r>( 0 1

TI

-o.G, 1 1 ~ -L ' ' a 3 0 G =

FJ~{~C;12/3

= 832

:::JTu

l

ft 2hroF a 4 0 G =

_'!.!

'DG ,

0, 4(

c . .~

3

cp

(-2.

~ J- s\ ;, ) \ ;\ , \ I = 1212 B~u/ft21~ro:p 1 d 1 1

=

+

-

+

-

+

-0<. i Àw 01.0 d...v 0,00326 -.

=

l,; = =

=

== 308 6 O,023xü,85x1,06x10 ( ' '0, 21 ~73 1,25 O,0558x1 06xl0 'O,85xl,22 1,22 \ 0,31 6 O,33x1,Ox1,Ox10

2/

(' _ . 6 \

°

,

4 ' 1 :\ 3 1 2, r.: :::> C,Ob25x1,Oxl0 ' 'I I (, ' ~,Ox2,4~.) I , 2,42 ) \ 0,34 / I 1 C,033 1 I 1 832 + 13,8-' ,- 1212 1000 = -~nu/ft2- 0 ':..\1. ~"r F -21

o

o

- - - -- - - ~ - - -- - ' -\ '-....--.',-J - 21 -FL = {

(G.

. ~ ~

C.)

\ Ui /

=

0,0558 4 6 x 1,06xlO x 0,85 x 308

=

141 ft

=

43 ,1 ~ F _~e J... IJ A

₌

0 G. ~ 7900 6 - = 1,06xlO 2 6,9 cm

=

3,14 4 D2

=

3,14 x 1,702

=

2,27 4 2 cm

aantal pij~)en is dus ~

₌

3

2,27 }6m ₈₇₀₀

-3

2 0 8,16

=

1,Oxl0

6

=

8,7xlO ft

₌

cm G 0 2 :>

Ook deze warmtewisselaar met ~/4" pijpen is constructief

onmogelijk daar de steek van de 3 binnenpijpen te klein zou

5

1,45

2 .

worden om 8,16 cm tussenruimte over te laten voor de vereiste optimum snelheid van het lwelwater.

Dit is als volgt te illustreren:

Als de 3 binnenpijpen tegen elkaar gelegd zouden worden, dan is de straal van de buitenpijp

2/

'/

,/--'

' I 3 x ~2 x av 3 + ~2a + 0,4cm

=

V ~~m. ~. Li4Vi~ I/,I.l~k' ~:3xl,90x

V3

-1- 0,95 + 0,4

=

2,4 cm

1 De b~ndiameter van de buitenpijp 4,8 cm, Oppervlak

Oppervlak binnenpijpen 6,81 cm2. Opp, voor koelwater

2

19,1 cm

2

12,3 cm Deze constructie is niet uit te voeren, daar er geen goede

afdichting mogelijk is voor de ruimte tussen de pijpen.

Het oppervlak van het koelwater wordt dus nogeenige malen groter dan 12,3 cm2, terwijl vereist is 8,16 cm2•

Voor 1" pijpen geldt hetzelfde bezwaar.

-22

=

~--- - - - -- _ -- - - "

-\ I

- 22

-Toch is er een oplossing mogelijk, door de warmtewisselaar

met 3/ 4" pijpen uit te voeren als 3 afzonderlijke dubbelpijp-warmtewisselaars.

Per dubbelpijp-warmtewisselaar wordt het oppervlak voor het

koelwater Y3 x 8,16 = 2,72 cm2•

Oppervlak binnenpijp 3,14 n2 = 3,14 x 1,90 = 2,83 cm 2 2

4 -'-1 4

Binnenoppervlalc buitenpijp 2,83 + 2,72 = 5,55 cm2

=

~/4iT'D~

D

B

=

2,66 cm = 1,05" ( lU stalen ?ijp 1,049\1 inw.~, uitw.() 1,315")

De hydraulische diameter D rvD Re_o

=

?

=

-2 1000 x 1,37 x O,76xlO 10-3 2,66-1,90

=

= 0,76 cm. = 1,04xl0 4 4f

=

0,032 APo = 4f

~

x

~

!

2

fv2 = 0,032 x = 1, 70xlO 5

NI

m 2 43 ,1 '-2 x

~'2

x 1000 x 1,372= 0,76xlO d. -~

3/

pV_o = 1,lxlO ~ m sec Neff=foyIJ-p = 10-3 x1 ,70x105

=

170 J/sec

=

0,170 kW

Verpompingskosten in 5 jaar (36000 uur)

=

36000xO,170xO,05= Fl. 228 _ rvD 1000 x 1,45 x 1,70 x 10-2 Rei '1. = 0, 53xl(\-3

=

A Pl.·

=

4f DL x

12pv

2

=

0,024 x 43 ,1 1,70xlO- 2

=

6, 4xl0 4 N/m2 5,22X10 4 4f = 0,024 2 x V2 x 1000 x 1,45 =

rJv'

I.

=

10-3 m3jsec. F ~-D= O'i 6P= lO-3 x6 ,4xl0 4

=

64Jjsec=0,064 kW

eIJ. rv

Verpompingskosten in 5 jaar (36000 uur)

=

36000xO,064xO,05= Fl.115

Apparaatkosten

Oppervlak 3 x 3,14 DxL

=

3 x 3,14 x 0,0625 x 141

=

83,0 ftl

Kosten per 5 jaar (afschrijf termijn) 5 x 83,0 x 5

=

Fl.

2075

.

-Totaal kosten over 5 jaar

2075 + 115 + 228

=

F1.2418.

o

DOEL. Capacitei t Oppervlak Kostprijs Afschrijving 23

-SPEC IF ICAT IE VI ARI.I2':CW ISSELAlill

-Koelen _{van vloeibaa(I-IE'} )

4410 cal/sec 2 2 3 x 2,57 m

=

7,71 m 3 x 692

=

Fl.2075.-per jaar: 20 ~ , \ r

Physische gegevens 'i'larme stroom Fluidum kg/sec totaal

Dichtheid kgfrn3

Dyn. Viscositeit bij 17 °e ;n _{.... c.p.}

Temp °c in Temp °c uit

Max.bedrijfstemp. oe

:Berekend drukverlies atm. Snelheid m/sec 2 Doortocht per w.w. m

::::P

1,04 1.000 0,53 20 15 0,64 1,45 -4 2,27.10 - - - --~---Koude stroom Koelwater 1,10 1.000 1,0 14 18 19 1,7 1,37 -4 2,72.10 Warmteoverdr.coeff.in pijpen Warmteoverdr.coeff.om pijpen 4725 J/m2sec oe 6890 J/m2sec °c Totale warmteoverdr.coeff. U 1750 J/m2secoc

Constructie gegevens.

Het geheel bestaat uit 3 parallel gescllakelde dubbelpijp warmtewisselaars.

Materiaal binnenpijp Honel

buitenpijp Staal

Pakkingen Teflon

Inwendige diameter binnenpijp O,67t1

= 1,70 cm

buitenpijp 1,049"= 2,66 cm

Uitwendige diameter binnenpijp O,75tt _{= 1,90 cm}

buitenpijp 1,315t1_{= 3,34 c ra}

Lengte 43,1 m verdeeld over 14 secties van 3,05 m = 10 ft

o

u

o

24

-L ITE:i.KI' UûRLI J" ST

1. Kirk, R.E. and Othmer, D.F.

Encyclopedia of Chemical rechnology Vol. 6, V pg. 695-708, (1951)

2. Edwards, A.J . Chem Weekblad 52, 617-624, 633-639 (aug.1956) 3. Faith,W.L., Keyes,D.~. Bnd Clark, R.

Industrial Chemicals

Ie druk; Pc:.: 373, (1948)

4. Martin,H.F. and Young,L. CJ:lem. Inds. 66, 508 (1950)

5. FredenhaGen, K. und Caden1JBCh, G. Z.physik.Cl1em.146, 257 (1930) 6. Kausch,

o.

Fluss s~ure, ~ieselfluss säure und deren ~etalsalze

Uitg. Enke stuttgart 1936, pg.1-56

7. Simons, J .l:. Ind. 3ng. Cllem. 32, 178-183 (1940)

8. Gmelin

Fluor Syst. No.5 8e druk 1926 pg.31-50

9. Simons , J . and Hildebrand, J .H. J .Am.Chem. Soc

.,1&,

2183-91 (1924) .

10. McAdams, W.E.

Heat Transmissi on, 2e druk 1942, blz.363 e.v.

11. Perry J .H.

Chemical Engineers Handbook, 3e dr.1953 McGraw-Hill 12. Kramers, H.

Physische Transportverschijselen, 1952

13. Stillebroer, C.R.

College overzicht Chemische Werktuigen 1956

14. Lawrence, A.E. and SLerwood, T .K. Ind .Eng.Chem. 23,301-303 (1931)