Processchema voor de ammoniakfabricage

I i I' r 1\ i I'

I

I

1

PRO CES S C HEM A.

eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee

G.van Messel, Oude Delft 184, Delft.

1

PROCESSCHEMA VOOR DE AMMO NIAKFABRICAGE, 1°, Inleiding.

Ammoniak wordt tegenwoordig in stijgende hoeveelheden geproduceerd, Na het pionierswerk van Haber (1905-1910) (1) werd ih 1913 de eerste fabriek voor synthetische ammoniak te Oppau door de B.A.S.F. in gebruik gesteld.

Sindsdien werden vooral in Duitsland en in de Verenigde Staten vele grote fabrieken opgericht (2).

In Nederland wordt ammoniak gefabriceerd door de Compag-nie Neerlandaise de l'Azote te Sluiskil, het Stikstofbin-dingsbedrijf der Staatsmijnen te Lutterade, beiden volgens het Fauser-I~ntecatini-proces, en door de M.E.K.O .G . te IJmuiden volgens het Mont-Cénis-proces

(3)

.

Volgens het Fauser-Montecatini-proces wordt in Nederland ca. 100.000 ton per jaar geproduceerd, De M.E .K.O ,G, maakt 16,000 ton per jaar.

rro Toepassingen van ammoniak.

Hoofdzakelijk wordt ammoniak eerst in salpeterzuur omge-zet alvorens het wordt verwerkt.

De kunstmestindustrie is de grootste afnemer. Ammoniak wor dt o.a. gebruikt in de springstof-, farmaceutische-, petuoJ

I

leum-, kunststoffen-, rubber- en soda-industrie. Verder in koelmachines en voor de ontsmetting van drinkwater. Een re-cente ontwikkeling is het gebruik van ammoniak, in plaats van calcium, bij de houtpulpfabricage voor papier

(4).

1110 Technische bereidingswijzen

(5)

.

Het oorspronkelijke proces zoals dat door Haber is uit-gevonden en door Bosch is ontwikkeld, loopt als volgt:

2 c ₎

J

c==_

_

i \ \ \ H" O

J

~

.

J.

.

\

/

I

!

\

'

"","'<Oe' ,-

\'

_ - "- 111. 1 l>-~' -,_1_, ) I ~j ' - - -_ _- - ' I

G± L

i ~)~----~ r

-Het is in de ontwikkeling van het procédé gebleken, dat door het opvoeren van de druk tot 1000 atm. (volgens Claude)

een hoger gehalte aan ammoniak wordt verkregen tot 40

%

.

Er treden echter grote moeilijkheden op bij de warmte-afvoer,

welke 40 maal groter wordt berekend dan bij het Haber-proces .

Bovendien vindt geen recirculatie plaats wegens katalysator

-vergiftiging. Claude leidt de gassen over achterelkaar ge

-schakelde katalysatorbed de n.

De Italiaan Casale ontwikkelde een procédé bij 700 atm.

en 6000C met zeer zuivere electrolytische waterstof als grondstof. Ook hier vormt de warmte-afvoer een probleem.

Het Amerikaanse procédé, het "General Chemical Process" ,

uitgewerkt door de Fi x ed Nitrogen Research Laboratory te

Wa s h i ngt on is een modificatie van het Haber-Bosch proces.

Het Fauser-Vbntecatini proces is zeer geschikt wanneer

men de beschikking heeft over waterstof uit cokesovengas,

watergas e.d . De druk is hier 200-300 atm. en de temperatuur

4500C-500oC (7) . --~

-In verband met de

lopende

(patent~

werd in de jaren 1926

I 1927 een proces uitgewerkt, waà~e druk onder de 100 atm.

moest blijven: het Mont Cénis procédé. Uhle en medewerkers vonden daarbij een zeer actieve katalysator. Er werd ges

pro-ken van ferro- en ferricyaniden, van kalium en aluminium, maar latere mededelingen geven aan, dat deze katalysatoren bes"taan uit ~ -Fe evenals de katalysatoren bij de andere processen. Het verschil ligt in de wijze van bereiding. Bij de Nbnt-Cénis katalysator worden ijzercyaniden van aluminium

,

_

_

~lt;)

~

' (f(~

-/ ' ,

6

! !

_ __ _ __ _ _ _ __ _ _ _ _ --1.1_ _"""'11

- - - -- - - -- - -

-)

en kalium ontleed tot een bijzonder actieve katalysator (6).

Bij de andere processen ontstaat o(-Fe door reductie

uit Fe304

,

magnetiet waaraan vóór de reductie promotoren

als AI2O) en K20 zijn toegevoegd. De katalysator wordt

hier-door mechanisch sterker en minder temperatuurgevoelig.

1

_{TABEL ter vergelijking van de verschillende processen.}

:

)

.: > druk/atm. temp. kataly- recir- conversie

~-,

°c

sator culatie

%

(b é eer~~:ngI

I

.~...

-I

!(gewijzigd

midde1-Haber-Bosch) 200-350 550 d. -Fe ja 8 _matig I

B.A.S.F.

I

Fixed Nitrogen _{200-)00 500}

<:)( -Fe ja 20-22

middel-Research matig

Claude 900 500- 600 r:J. -Fe néén 40-85 slecht

Fauser _200-)00

450-500 o(-Fe ja 12-23 zeer

Mont eca t i n i goed

Casale 600-700 500 <:><-Fe ja 15-18 slecht

bijLzonder

onbe-îVlont - Cén i s 100 400-425 ac t i ef ja 9-20 _kend

c(.-Fe

Om uit te maken welke fabriek het meest rendabel zou

kunnen worden gebouwd, zou van elk proces een fabrieksschema

en een kostenberekening moet e n worden gemaakt.

Gekozen wordt het Fauser-Montecatini-procédé (7) (11)

om de volgende redenen.

a) Zeer modern proces met een geniale warmtebeheersing.

b) Matig hoge druk. Er künnen goede staals oorten worden

ge-bruikt, b.v. een staal met 2,5

%

Cr , 0,18

%

Vd en

0,3

%

C. Het kools tofg ehalte dient zo laag te zijn om

aantasting door waterstof te voorkomen. S~per-legeringen

zoals bij het Claude- en Casale-proces behoeven dus niet

te wor d en toegepast.

c) Als nadeel staat daar tegenover, dat bij lage druk de

conversie klein is . Hog ere druk kan men niet toepassen

omdat het essentiële van dit proces is, dat wordt ge

-koel d met verdamp end water , da t dezelfde dr uk heeft als

super-- ~~_. . .- - -

-4

krit i s ch en kan men geen gebruik ma k en van de

verdam-pingswar mte.

IVO Grondstof f en.

~ N 2 +

1

H ---~ NH 2 2 2 ~

3

,

Wa t er s t of uit St i ks t of uit

t

a) ) b)

1

c) \ d) e)

.f

a)

l

b) hoogovengas

i

coke s ove nga s (

wate r ga s ) el e ctrolytisc h kr a a kg a s hoog ovenga s gefra ct i onne er de eventuee l met CO-conversi e.

destil l a tie van lucht

Zowel de benodigde waters t of als stikstof dienen een

zeer hoge graad van zuiverheid te bezitten.

Koolmonoxyde wordt bij 5000

6

over Fe203 + Cr203

(8

)

als katalysator, met st oom omgezet volgens:

CO + _H20 ~

cO

₂ + _H2

Dit proces staat bekend als de CO- of watergasconversie.

Kool zuu r wordt verwi j derd door uitwassen met water

on-der 25 atm. druk

(9).

I

pi

I '

Res t en CO worden

niakale cuprochlori de

vloeibar e st i ks t of .

ver wij de r d door

absor~tie

in een amm

o-oplossing (la) of

doo

~

uitwassen met

Om sporen CO, 02 en C02 , welke een groot gif voor de

katalysator betekenen (12), te verwijderen, wordt het

gas-meng sel van 3 _{delen H2 op een deel N2 bij 200}0C over een

voorgeschakeld katal ysa t orb ed gel e i d . De katalys atormassa

bestaat uit afgewerkte katalysator voor de ammoniak s ynthese.

CO, O2 en CO2 worden omgezet in methaan en water. Methaan

bl i j f t als inert in het synthesegas. Tenslotte worden de

5

V Plaats van de fabriek.

Hiervoor wordt gekozen een gebied liggend tussen Pernis en de kop van het eiland Rozenburg.

De opzet hiervan is:

a) Waterstof kan worden geleverd door:

al) zuiverine van kraakgas van de raffinaderijen

te Pernis.

a 2) uit hoogovengasof uit cokesovengas van de nieuw

op te richten hoogovens en cokesoven in het Botlek=

gebied. ~rotendeels moet de waterstof dan via de

CO-conversie worden gefabriceerd.

b) {.l- ,~ ,./'_._~ I" (', ,.

C

'

c) d) VI

Stikstof kan worden verkregen:

bI) ook van de nieuwe hoogovens uit het hoogovengas.

b2) door gefractionneerde destillatie van vloeibare

lucht. Indien de fabriek dit niet zelf wil doen kan de stikstof eventueel worden betrokken van N.V. W.A.Hoek te Schiedam.

De fabriek ligt aan de Nieuwe Waterweg, dus gemakkelijke aan- en afvoer van producten en grondstoffen.

De fabriek ligt in een nieuw industriegebied waar alle faciliteiten voor de aanvoer van energie en water, en de afvoer van afvalproducten aanwezig zijn.

Het Fauser-r~ntecatini-procédé.

(7)

(11).

;

'-~,\'.. .

I '" ' <)

Voor het verkrijgen van een hoge opbrengst bij exotherm verlopende synthese onder hoge druk, is het nodig de reactie-warmte direct af te voeren, opdat de temperatuur van de kata-lysator binnen bepaalde grenzen blijft. Voert men de reactie-warmte niet af, dan stijgt de temperatuur van het gasmengsel en daalt de opbrengst.

Om de reactiewarmte af te voeren zijn verschillende soorten warmtewisselaars in gebruik, die in de

katalysator-i

massa zijn aangebracht. Met deze inrichtingen is het echter

moeilijk de gewenste temperatuurgradiënten te verkrijgen. Voorts gaat de bij de reactie ontwikkelde warmte in de koe-lers achter de reactor verloren.

~.

'.... .

6

Bij het Fauser-Montecatini proces wordt een doelmatige

methode voor het afvoeren van de reactiewarmte toegepast. De

-ze bestaat hieruit, dat men de katalysatormassa over v

er-schillende lagen verdeelt en in de tussenruimten warmtewisse

-laars aanbrengt waarin water wordt omg e zet tot stoom. Door

het regelen van de watert o evoer aan de verschillende warmte

-wisselaar s wor dt het mogelijk de temperatuur binnen de ver

-eiste grenzen te houden. De bouw van warmtewisselaars in de

synthese-kolom , die onder een druk van een paar honderd at

-mosferen'm'oetèn kunnen werken, en een temperatuur tot 6000 C

moe~kunnen weerstaan, is zeer moeilijk. Bij deze

temperatu-ren wordt de mechanische vastheid van het staal klein en

zelfs wanneer men hoog gelegeerd chroomnikkelstaal gebruikt,

moet men zeer di kke buizen t oepassen waardoor de bouw van

deze apparaten bij die hog e druk praktisch onmogelijk wo rdt .

Een eenvoudige oplossing om de wanddikte van de buizen

tot een minimum te beperken bestaat hieruit, dat het water

in de warmtewisselaars, dat tot stoom wordt omgezet, dezelf

-de druk heeft als het gas in -de reactor. Dit heeft tot ge

-volg, dat de werkdruk in de reactor ca. 200 atm. moet bedra

-gen, daar boven 250 atm. water superkritisch wor dt en men

dus geen gebruik meer kan maken van de verdampingswarmte. De

ontwikkelde stoom wordt, in een gesloten circuit , in een

stoomwa rmtewisselaar weer tot water gecondenseerd .

In deze st oomwa r mt ewi s s e l a ar wordt stoom van 20 atm.

ge-maakt; deze wordt gedeeltelijk gebruikt voor de desorptie

van ammoniak uit de waterige oplossing, welke wordt gemaakt

door het geconverteerde synthese gas uit te wassen met water .

De rest van de stoom wordt gebruikt voor energie-opwekking .

Doordat de werkdruk ca. 200 atm. bedraagt wordt de con

-versie

14

.6

%

.

De ontstane ammoniak kan men nu op twee manie

-ren verwijde-ren: door koeling en afscheiding van de vloeibare

ammoniak en door uitwassen met water. Bij het Fauser-Monteca

-tini proces kiest men meestal het laatste , omdat in het ci

r-culatie-gas dan geen ammon iak achterblijft, terwijl dit bij

de andere methode nog ca.

3

%

bedraagt. Bovendien kan de op

-geloste ammoniak bi j lagere druk gemakkeli jk met stoom uit

de opl o s s i ng worden verwijderd.

Het niet-omgezette deel van het synthese-ga s wordt na

droging naar de reactor teruggevoerd.

Het ammoniakgas wordt gekoeld en gedroogd en is voo r

7 VII Conversie bij 200 atm. en 7730K. T_c (13 ) P_c (13) _Tr =

Th

_{c Pr} = Pip

~

=

~/p

(14) c (critis ch) NH 3 400 0K

111,5 ca. 2 ca. 2,7 ca. 1,0

N2 1300K

_33,5

ca. 6 ca. 9 ca. 1,0

H₂ 330K 12,8 ca. 23 ca. 24 ca. 1,0

I

We behoeven dus niet met de fugaciteiten -f- te rekenen, maar kunnen volstaan met de drukken.

1

o

log

K

=

-2,5 (15).

.', K =

3 •

10-

3

II

f

Dit is een praktijk-K •

a)

b) PNH + _PN + PH = 200 atm. 3 2 2

c ) _PN = 1/) PH

2 2

vm

Indeling van het Schema.

128,1 atm. H₂ 42,7 atm. N₂

29,2

atm. NH) •

-~,. 14,6

%

NH₃

Stikstof en waterstof worden in de juiste

mengverhou-ding van 1 : 3 aangevoerd bij 0,5 atmosfeer overdruk om in-lekken van lucht te voorkomen. Koolzuur en koolmonoxyde zijn -n-iet-aanwes-ig--of-reeds verwijderd.

Door de vi jftra pscompr e s so r wor dt het gas op 200 atm.

druk gebracht. Tussen elke trap wordt het gas gekoeld. Na de vierde trap wordt zodanig gek oel d , dat het gas bij uittre- .

di ng een temperatuur van 2000C bezit. Pyrometer T.C. 4 op de uittree-leiding van de compressor bestuurt hiertoe een af-sluiter op de waterleiding van warmtewisselaar w.w.

4.

.Î

.,

Bij 2000 C wordt het gas van spor en zuurstof-houdende

gassen ont daan in de reductiekolom. Het synthe segas wordt

ver vol g ens in de hoge-druk-warmtewisselaar w.w . I afgekoeld

tot 200C. Deze temperatuur wordt gehandhaafd door pyrometer

T.C . I, welke een afsluiter op het koelwater van warmtewis

-selaar ww. I bestuurt . Het warme water van deze warmtewisse

-laar wordt gebruikt als voeding voor de stoomwarmtewisse-laar,

daarom heeft het een druk van 20 atm.

Het afgekoelde gas wordt gedroogd in een van twee par a l

-lel geschakelde drogers. Door de andere droogtoren wordt hete

stikstof geblazen om het geadsorbeerde water van het droog

-middel te verwi jderen. Al s droogmiddel wordt meestal geacti

-veerd bauxiet gebruikt (30) .

Het synthese-gas komt onderin de reactor, wordt door de

gaswarmtewisselaar opgewarmd tot 4400C, gaat buiten de kata

-lysatorbedden om naar boven en treedt vervolgens in het eer

-ste katalysatorbed. De temperatuur onderin het eerste ka t a l

y-satorbed wordt geregel d door de pyrometer t . c . I . Stijgt de

temperatuur boven 5000C, dan gaat de klep van een "by-passft

open en komt een gedeelte van het synthese-gas koud bovenin

de reactor.

Na het eer s t e katalysatorbed wordt he t gas in warmte

-wisselaar w.I afgekoeld tot 4450C, In deze warmt ewi s s el a ar

wordt om de pijpen water van 264°C en 200 atm. verdampt tot

verzadigde stoom. De stoom van 264°C en 200 atm. wordt tot

water gecondenseerd in de pijpen van de stoomwarmtewisselaar.

Om de pijpen wordt warm water van warmtewisselaar w.w . I ver

-dampt tot verzadigàe stoom van 20 atm. De hoogte van het wa

-ter om de pijpen in de stoomwa rmt ewi sselaar wordt geregeld

door de niveau-regelaar L.C.

m,

die een afvoerleiding van

het overtollige water bedi ent. _{_} VAr,T I

~ w.w .

Op de aanvoerleiding van het wate:rJ staan twee

afslui-ter s. De een wordt bedi end doo r de niveauregulateur l .c . I,

welk e de hoogt e van het wa te r in de warmtewis selaar constant

houdt; de ander wordt bestuurd d90r de pyrometer t .e . 11,

welke er voor zmrgt, dat de temperatuur onder i n het tweede

katalysatorb ed niet boven 5000 C stijgt.

Stijgt de temperatuur onderin één van de drie laatste

katalys atorbedden boven 500oC, da n wordt automa tisch door de

pyrome ters t .c. 11, t .c. 111 of t.c. IV meer water naar de

\I • •J. , ," 'rl \.

"

\' ,;' . '\ , -, ...~. .'

De ammoniako pl o s s i ng gaat bij 730C naar de stripper.

Hi er op is de drukr egela a r P.C . 11 aangebr acht, welke de

druk in de stripper op 20 atm. houdt, door regeling van de

expansie-afsluiter op de aanvoerleiding van de ammoniak

-op-lossing.

Door de expan si e van 200 tot 20 atm. verlaat de ammoniak

grotendeel s direkt de oplo s sing. De r est van de ammoniak

wordt met open stoom in de stripper verwijderd. De tempe

ra-tuur stijgt van boven naar beneden van 730C tot 210oC. Onder

-in de stripper wordt de temperatuur op 2XOo C gehandhaafd door

de pyrometer T.C . 111, welke een afsluiter op de stoomleiding

bedient.

De drukregelaar P~C . 111 zorgt ervoor, dat de druk in de

stoomleiding 20 atm. blijft.

Direkt aan de stripper vast is de warmtewisselaar w.w .II

gebouwd. Deze koelt het ammoniakgas af van 73°C tot 20oC.

Hierbij condenseert water, dat in de stripper ter ugloopt . Het

voordeel van deze constructie is, dat geen ammoniak verloren

gaat in het condens water. De temperatuur van het gas bovenin

warmtewisselaar w.w. 11 wordt op 200C gehandhaafd door de

pyrometer T.C . 11, die een afsluiter op het koelwater be

-stuurt.

atm.

bovenliggende warmtewisselaa r s ges t uurd. Het gas treedt

kouder in het kata lysato r bed en de temperatuur daalt .

Na het vierde katalysator bed staat het gec onv er t e er de

ga s zijn warmte af in de gaswarmtewis selaar.

Bi j SOoC komt het gas onderin de absorptiekolom. Dit is

een gepa kt e kolom me t Raschig ring en van 2 inch. Deze

con-structie geeft wei nig dr ukv er va l , is ee nvoud ig en goedkoop.

De ammonia k wor dt bij 200 atm. uit het gas ge\~ssen.

De stikstof en waterstof worden door de circulatiepomp

wee r in het systeem gebr a cht vóór de drêgers. Een!

%

van

het ga s wordt gespui d. DiLt wor dt geregeld door de

"flow-controller" F.C . Om het meesleu r en van dr up pe l t j e s water

t eg en te gaan i s in de absorbt iekolom, bove n de aanvoer van

het water, een laag Ra s ch ig ringen aangebracht. De tempera

-~ tuur bovenin de abs or bt ie kolom wordt op 20 oC._g&houden door

de pyromet er T.C .

4,

welke een afsluiter op de aanvoerleiding

van het wat er bestuurt. Het niveau van de ammoniak-oplo s sing

onderin de absorbtiekolom wordt ge r eg el d door de niveau

-rege-laar L.C . I ; hier do or blijft de druk automatisch op ca 200

,,\.'~ ( -: ,J}.. , I - I" I. ·. ,I. ·.. hlI....• ,

.

"r.,

~'

.

.

'I . 1\! ' L:,t'\(' _ ( ' ,](..1 . ',':. " , ,I, ' / 7 , C l"~" ../ ./ I I'" ~ .,I ' ) \ ." ' \"'• " I ' ".L·J "

I

I

i

10

Onderin de stripper zorgt de niveauregulateur L. C. 11 er voor, dat het water een constante hoogte houdt .

Het ammoniakgas wordt in een van twee parallel gescha

-kelde ammoniakdrogers over geactiveerd bauxiet gedroogd en is dan gereed voor verdere verwerking.

De drukregelaar P.C . IV houdt de druk in de droger op

20 atm.

M

rx

O

~balans

en Warmtebalans.

B~ hoge space velocity wordt de ammoniak conversie con

-stant en onafhankel~k vam de space velocity (17); men mag dan per katalysatorbed een even grote conversie aannemen

vanf~6

= 3,65

%

.

,

In de industrie wordt dit bevestigd (11).

Uit een prakt~kgrafiek van Emmet (18) van de space

velocity tegen het percentage ammoniak, volgt , dat b~ 200

atm. een s.v . van 30.000 zal voldoen aan de ge s t elde eis van een conversie van 14,6

%.

~'",, " . \ ~t ) ..) !,,~,.. \

\

'1

\.\1\,1."

Uit fig. 13 en f 14 in Kirk Othmer (20) volgt, dat b~

200 atm. een s. v . van 30.000 en een conversie van 14,6

%

een productie van 200 lb NH3/hr/c .ft . katalysat or wordt b

e-reikt. De totale productie is 40.000 ton_~er jaar = 4560 kgf

hr = 268 kmol/h.

Hieruit volgt, dat 1460 ltr. katalysatormassa nodig is of 365 ltr. per katalysatorbed.

Per reactorbed wordt 67 kmol NH₃/hr gevormd. De reac t i e-warmte hiervan bedraagt 90,2 • 104 kcal/hr . Voor de opwar

-ming van de intredende gassen van 445°C tot 500°C is nodig

4

88,0 • 10 kcal/hr per katalysatorbed.

Per katalysatorbed wordt dus nog 2,2 • 104 kcal/hr af

-gestaan aan omhoogst~gend gas.

In de reactor bestaat de volgende warmteverd e l i ng .

r --r--=-- - ---"

- - - -- -

"'-500° C

1

...

_

---

--- ~ - ---'- -'- ~- - -"-

- -

---"-'---

-

- '-"-- --

--

--- --

- "_ . - -- -- -- - -- . - - ..---.- -" .""--"---

-_

.-~J..u~(

~l

lt1v.-c.

,

I~~.k

'4Nt

~

Ó\:J..<,l·

~ ~'l ~

,k,

w

G.4, Q.w(u<

k

...

+,

~ W,\.

\t~

l

~

l

-j

\

~~ ~ \~~

e>J-Lu.-kt.

.

c4...

.<

uil-

'M~ ~'<~'f""

Lo-

~ ~d",

....

~

IN'-(

A

reJ

\~tit.A.

1

kvt~~

L

~

,

~

·

t

,l~j

L

P

,

IQ)

St(~

~~U ~\o. ~+iU

.

~ ~ ~+ ~~(

f 'j ·

~u. ~.\J

.

:

~~

\

~itv-

?

~

u-

~

MvYd...-

~

u«.

kf

û>0

t

~.

k\oj.,..\Uv

JJ..

~~

L

~t

~ ~

.

l

t.u.

~'

~)

- - - -- -- - -- - -- -

-11

Onderuit de reactor komt per uur: 268 km01 NH3

391 km01 N2

1173 kmol H2 (14,6

%

NH₃₎

Uit katalysatorbed B

3 komt per uur: Opgelost wordt per uur:

201 km01 NH 3

424,5 km01 N2 268 km01NH3

1273,5 kmol H2

Uit katalysatorbed B2 Gerecirculeerd wordt:

134 kmol NH3

391 km01 N2 458 km01 N2

1173 kmol H2 1374 kmol H2

Uit katalysatorbed Bl

.

.

Vers gesuppleerd wordt:

67 kmo L NH3

491,5 km01 N2 134 kmol N2

1474,5 kmol H2 482 _{kmol H2}

Bovenin de reactor gaat per uur: 525 kmol N2

1575 kmol H2

In de warmtewisselaars w. 1, w. 2 en w. 3 moet

88,0 x 104 kcal/hr worden afgevoerd om het gas van 500°0

af te koelen tot 445°0.

De verdampingswarmte van water b~ 264°0 en 200 atm.

bedraagt 176 kcal/kg. Per warmtewisselaar wordt dus 5 . 103

kg/hr water verdampt

=

1,4 kg/sec.

In de gaswarmtewisselaar wordt het geconverteerde gas

afgekoeld van 500°0 tot 80°0. Het synthese gas wordt hierb~

opgewarmd van 20°0 tot 440°0.

Als voorbeeld van berekening van de diverse

warmtewis-selaars en kolommen volgt hier de berekening van de

gaswarm-tewisselaar.

De diameter van de reactor is door trtrial and error tr in verband met de katalysatorbedden, de warmtewisselaars en de gaswarmtewisselaar op 77 cm gesteld.

- - - -- - - .

-12

inwendige diameter

t

inch, uitwe ndi ge diameter 1 inch. Over de lengte z~n schouten aangebracht, zodat het gas om de p~­

pen )bijna loodrecht op de p~en stroomt.

2

620 m

jhr

.

= 170 l/sec.

Om de pijpen omhoog:

Door de p~pen omlaag: 391 kmol _N2

/ hr

1173 kmol H2

/

hr

268 kmol NH₃

/ hr

525 kmol N2

/ hr

.

1575 kmol H2

/

hr

.

700 m3

/

hr

.

= 195 l/sec.

A

= 1,42 J/m.oC .sec . cp gemiddeld

=

3,8 ~ 103 J/kg .oC . ~ gemiddeld

=

30

x

10-6 Nsec/m2

~

gemi dde l d

=

26 kg/m3 \,I ~J[I l.~ A..I-J .'\ " • Nu

=

Vgemiddeld

=

0,50 m/sec . D u

=

2,54 x 1 0-2 _m Nu = 0,18 ReO,6 Prl/ 3 (31) voor 2 .1 03

<.

Re

<.

5 •105 0( 2 Du À cp .~ Pr = À = 0,8

jJV

D_u Re

=

/7{ Pr = cp ~

₌

0,8

~

pV

D. .i. Re = ~ cp gemiddeld

=

3,8 )( 103 J/kg.oC

-"l

gemidde ld

=

30}( 10-6 Nsec/m2 (21)

r

gemiddeld

=

26~'\kg/m3 c .~ Uit

Fr

=

P

À

=

0,8 (22) volgt ).

=

1,42 J/m. °C.sec. Vgemiddeld = 1,73 m/sec. Di

=

1,92 )C 10-2 m Nu

=

0,023 ReO,8 PrO,4 (22) voor 2 . 103

<

Re

<

5 • 105 <Xl Di Nu

=

À Re = 2,86 x 104 2

°

0<1

=

3400 J/m . C.sec.

Door invullen van bovenstaande gegevens volgt:

4

Re = 1,1 ')( 10 2 0

0(2

=

2560 J/m • C.sec .

wanddikte

=

3 )C 10-3 m ). staal

=

1000 J/m .0 C.sec .

1 1 _{+ 3}

.

10-3 1 1

=

+ -

₌

1470

U ₀₍₁ 1000 ex

Q

~-- .._{_ - -- - - - - - - - - - - """---,}

13

Het uitwisselingsoppervlak bedraagt: A

=

TI • ~ t _{,V v r}/L Q

₌

G )( cp )( 6 t

₌

17.850

~

3,8 X 10

3

)( 420 J/ hr. Q

₌

816

.

104 J/sec . 2 0 TI

₌

1470 J/m . C.sec. 6 _{t l n}

₌

60oC. Hieruit volgt: A = 92 m2.

Het kleinste uitwisselingsoppervlak is binnen de pijpen en

-2 2 2

bedraagt 340 x 7( )*.1,92 x. 10 m

Im =

20 ,4 m

Im

.

92

De lengte van de gaswarmtewisselaar wordt dus

=

4,50 m.

20,4

Om de p~pen stroomt 195 ltrlsec. De ge-middelde snelheid bedraagt 0,5 m/sec .

De horizontale snelheid boven een schot moet dan ca. 1 m/s e c. bedragen.

De verticale doorsnede is dus:

195 2

-

=

19,5 dm . 10

-,

"VjiiJ:.c-m<T- -.- - - -_

De gemiddelde vr~e doorsnede tussen de p~pen bedraagt 2,1 dm2/dm.

De hoogte tussen twee schotten bedraagt 19,5 = 9,3 dm =

2,1

0,93 m.

De totale lengte

=

4,50 m, het aantal schotten wordt dus

5. Wanneer een gedeelte van het gas door de rrby pas s rr gaat ,

wordt de warmte-pverdracht slechter. Daarom z~n 8 schotten

genomen.

In de stoomwarmtewisselaar wordt

3

~

88, 0 )(104 kcal/hr

afgevoerd b~ de condensatie van hogedruk stoom. Al s voeding

voor de lagedruk stoom wordt water van de warmtewisse laar

w.w .l gebruikt. Dit water bezit ee n temperatuur va n 700C en een druk van 20 atm. In de stoomwarmtewisselaar wordt

~:'\:';1'1,!,.\"_.L:

\

14

4000 kg/hr water omgezet in stoom van 20 atm. Hiervan wordt 750 kg gebruikt voor de stripper. De rest wordt ge br u i kt voor energie-opwekking.

In warmtewisselaar w.w. 1 wordt het verse synthese gas afgekoeld van 2000e tot 200e. Het koelwater wordt opgewarmd van l5°e tot 700e. Hiervoor is nodig 13.600 kg/hr. Voor de stoomwarmtewisselaar wordt hiervan 4000 kg gebruikt. De rest wordt voor verwarmingsdoeleinden afgevoerd.

In de absorptiekolom moet 4560 kg NH3/hr opgelost

wor-'7~._~ t·~_J den uit een totale gasbelasting van 22.410 kg gas/hr. {

De partiaalspanning van de ammoniak onderin de kolom

--- bedraagt 29,2 atm. Bovenin wordt de eis gesteld

<

0,5 atm.

(] ( De absorptie geschiedt

t~ge

~

he~

_Jo

~ngpOint

aan (25). B~ een vloeistofbelasting van ca. 1000 lb/hr.sq.ft

, wordt de maximale gasbelasting 9500 lb/hr/sq.ft. (25). De gasbelasting bedraagt 49.000 lb/hr --? D = 0,80 m

(0

=

5,15 sq.ft.)

De vloeistdbelasting wordt 2340 kg/hr.

De H.T.U. in een gepakte kolom met Raschig ringen van 2 inch bedraagt b~ G/~

=

1100 en L

=

1000 (26)

(~ is een correctiefactor voor de afw~king van de dichtheid

b~ hoge druk). H.T.U.

=

0,50 m.

Uit de constructie van de werkl~ en de evenwichtsl~

(24) (27) volgt, dat drie transfer units nodig z~n. Hierdoor wordt de hoogte van de kolom 1,50 m.

De temperatuur onderin de absorbtiekolom ligt vast doordat 22.410 kg gas, soorte1~ke warmte 3,8 x 103 J/kg, temperatuur 800e, z~n warmte afstaat aan 2340 kg water,

soortel~ke

warmte 4,2 x 103 J/kg, temperatuur l50e. De tem-peratuur onderin bedraagt 730e.

I _

Op dezelfde w~ze als in de absorbtiekolom wordt de stripper berekend tegen het loadi~point aan (25). Per uur wordt 4560 kg NH_{3 ~an} de waterige~plossing gescheiden. Het water, z~de 2340 kg/hr, wordt met verzadigde stoom opge-warmd tot 2l00e. Hiervoor is nodig 750 kg stoom van 2100e en

15

20 atm welke wordt betrokken van de stoomwarmtewisse1aar .

Uit de stripper wordt dus 3100 kg water van 210°0 afgevoerd.

Uit de constructie van de werkl~n en de evenwichtsl~n

(29) volgt, dat er

5

transfer units nodig z~n. De hoogte van een transfer unit bedraagt b~ een

G/0

=

222 en L

=

12000

H.T .U .

=

13 cm (26).

Om deze gas- en vloeistofbela s t i n g te bereiken moet de

stripper een diameter van 0,40 m bezitten. De hoogte wordt:

5 x h3 cm

=

65 cm

=

0,65 m.

In warmtewisselaar w.w . 2 wordt het ammoniakgas

afge-°

0 '

koeld van 73 C tot 20 C. Hiervoor wordt 4400 kg/hr water ge

-bruikt. B~ 20°C bedraagt de partiaalspanning van water in ammoniak 0,024 atm. B~ 20 atm. bevat het ammoniakgas dan nog,

0,12

%

water. Dit wordt in de ammoniakdrogers verw~derd.

t ,:

y \" \

j'.r/.f

I

In de eerste drie warmtewisselaars van de v~ftrapsc om­ pressor wordt 4560 kg/hr N2 + H2 afgekoeld van 110°C tot 20°0) Hiervoor is 11.000 kg water per uur nodig. In war mt e

-wisselaar w.w. 4 wordt ca. 2700 kg water per uur gebr uikt om

°

°

het gas van 110 0 af te koelen t ot 90 0, zoda t het gas na de

v~fde trap een temperatuur van 200°0 bezit.

Door de droogtorens, die niet worden gebruikt om te

drogen , _{wordt hete N2 ge}bl azen om het geadsorbee rde water t e

ve rw~d e r e n.

Voor de ammoniakdrogers bedraagt dit 200 kg/hr.

Voor de synthese gas drogers 800 kg/hr . (30)

Per uur wordt aangevoerd: _{4560 kg N2} + H2

1000 kg warme

N2

'

56000 kg water.

°

180 C.

Per uur wordt geproduceerd: 4560 kg NH 3

3250 kg stoom 210°C, 20 atm.

I I >.':) . )/.. \.-J. ,t. r", ( , . \\(J1,\-/ '._;':;'L.:I 1 ,I' . 16 Literatuur. H.Römpp , Chemie Lexicon, 1804, (1958) Kirk Othmer deel I, 785, (1947)

Winkler Prins, deel 1,721,(1947) Kirk Othmer, deel I , 807, (1947) Kirk Othmer, deel I, 805, (1947)

Mont Cénis Octrooi no 20607 \ . . _

-no 22952 (Ned.octrooi)

Fauser-Montecatini octrooi no 85287

Heinze, Rienäcker, Journal für Praktiache Chemie, Sept.

V

~

--1958, blz. 315. . /

Emmeiït; Fixed Ni trogen,V210, (1932)

Kirk Othmer, deel I , 795, (1947)

Vlugter , St~ntjes en Choufoer. De Ingenieur. Jaargang 70 No 26, blz. 23 (1958)

~Fra nke nburg. The catalytic synth e s i s of ammonia fr om

Nit roge n and Hydrogen . in Emmett ,Ca t a 1ys i s

ill,2.'33,1

954

.

Perry, Chemical Engineers Handbook , 2nd edition, 474 (1941) Idem, 762 , 763 (1941)

Idem, 749 (1941)

Idem, 742, 743 (1941) Idem, 703 (1941)

i

Emmett, Fixed Nitrogen, 227, (1932)

I Spiers. Technical Data on Fuèl, 130 (1947) Kirk Othmer, deel I, 787, (1947)

Wiebe, Fixed Nitrogen, 263, (1932)

Blok , Technische Warmte-overdracht, Alinea 230 Kramers , Physische We rkw~z e n, fig. P 20

International Critica1 tables 259

Perry. Chemical Engineers Handbook, 3 r d edition, 682, 683

5

.

7

.

8

.

6. 1. 2.

3

.

4. 12. 13 . 14. 15· 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24 25.

9

.

10. 11.

V

(1953) 26. Idem, 689 , (1953)

27 . Perry, Chemica1 Engineers Handbook, 2nd edition, 1124,( 194 1 )

28. Heertjes. Technisch-Physische scheidingsmethoden, fig.33 29. Perry. Chemical Engineers Handbook, 3r d edition , 1685 (1953 )

.30 . Floridin Company, Florida, 35. 31. Kramers. Physische Werkw~zen, 53.