De bereiding van phtaalzuur anhydride

. ~ i .. i I .

,

-:j I \ I .

..

I ) I :,J. -- - . -~

I/~/

- /(J~/~-\ .

DE BEREIDING VAN PHTAALZUUR ANHYDRIDE.

door:

J. KETEL.

BEREIDING VAN PHTAALZUURANHYORIDE

~I J.KETEL JUNI 1949 I 2

9

,.

INHOUD:

,.. INLEIDING:

B. 1I0MENTEEL TOEGEPASTE BEREIDINGSMETHODEN:

C. MOTIVERING VAN DE KEUZE VAN HET PROCES: D. TE PRODUCEREN HOEVEELHEID:

E. GEKOZEN VARIANT:

F. BESCHRYVING VAN HET PROmCTIE SCHEMA:

G. BEREKENING VAN DE CONVERTOR: H. LITER! TUURLYST: pg 1 pg 2 pg 3 pg 3 pg 4 pg 5 pg 8 pg 14 •

A. INLEIDING:

De productie van phtaalzunr anhijdride op grote sch8~1 'Werd ee~st mogel ijk, toen Gibbs en Conver in l~lj, erin .s18QG.J.en gvsvo:rrrt1ge

. nap~taleen met lncht te oxyderen tot phtaalzl1ur anhyar1de over een

V~Jt::.ob katalysator: /.0

0

I )

/\

" + 4/J. L 0, ... .--. ' I ' . : " , I t I'.~"

;0

-t ~

co,.

...

2 H&.O "'0

Voor die tijd vlerèt .,.,htaalznur anh~Tdrlde ve1'1,:,reGcn J-,)")1' oxyrlatie van nt:.0htaleen met ro"'.end z·wavelZ'll.lT en 'rtJ'j.kzo'Jten als 1-\:atabTsator.

liet had toen alleen theoretisch belang.

Ren Q.i1ideli jk beeld van I_et toegenomen helang van nhtaalzllur

anl1ydride" geeft de volgende tabel, !lie ontleonn. is 13.~n ae Chem. Rng. A l1g. 1 ~6 pg 1 L;J •

Jaar JaarT)To ~ '1.ctie in TT. S .Ä • Priis "ler 'kg

1;J1'1

-

-

6~ ton

_·

-

.,

) ~;$;) 1~ ·

-

,;)61 ·

-

_1.14 1~5

·

..

1 .766 -

_·

o

.~-"~ 1~4)

..

..

~.v.:~J

-

-

o

';]Jij

O

:

ii6

b l:J~ó

·

11.) .61(1

..

0

..

_·

1~

_·

..

~6.:~5J

..

..

O.;?)l . l~j

_·

-

j6.0Cû ..

..

D :J;,tr 0 fuet de toenelnende orod'1ctte g'.ng ge'J8arà het ont--le1r1ten van steeds nieuwe tosD8ssingen voor phtaalzllur anhydride. Eerst werd het

'J.i t:::ülli ter_à 8e'hr11P\:t in ,ie' lC}Jlr~rs-r;of}.rKlns tri e voor de bereiding van

eosine, phenolphthaleïne en èlntrU'--fte-t"ürlon en derivat6n. MaélT s~oeà ig ontvllÎ~;(61àe zich bet 8ebr1Ji1~ v .... JJ Gsters vC.r rlLtbc.:Zt1.l1r n=:'s wE>;K:makers

o.u . iL de ::"ëJkin,:'.i~st.rie . i)!'\..'1{ (.:; . ..rll)0~ .... ngrj:P-(6 nlbè:ÜS T'llt.acJlzur

€.3ters un,lêT dA ;:,:,.cst-ic~r-irgsrr:i(·è(:Ler. innemen blijkt wel uit het vol-gende tabelletje, dat ook ontleGnd is -aan bovengenoemd tijdsehri~t­

artikel:

dibutyl phtalaat dimet~yl phtalaat andere phtalaten

totaal andere "plasticizers"

1940 3980 ton

-1944 21.7(X) 19.400 11.004 2B.3JO ton

-

in U.S.A.

Bovendien is in de laatste oorlog ontdekt, dat d~.t~vl phtalaat een goede insectenverdelger is, hetgeen een belangrijke invloed had op de productie van phtaalz\ltlra~vdride.

Een andere belangrijke toepasóing vindt phtaalzunranbydride in de al~dharsen, waarin het met trialcoholen zoals glycerol geconden-seerd is. In 1944 werd 9~ van deze glycerolharB (63.925 ton) gebruikt in beschermende lagen.

Hoewel na de oorlog het gebruik van pht.z.anh. in inaeetenverdel-gingemiddelen a~genomen is (in 1944 werd 2~ hiervoor gebruikt) iS de productie niet achteruitgegaan door de stijging der andere behoe~ten. Momenteel wordt het als volgt gebruikt:

in plasticeringamiddelen in synthetische harsen in kleursto~ren en tussenproducten in voedingsmiddelen en medicUnen diversen

(

)

\

l

-2-B. ltOMlilNTEEL TOEGEPASTE BEREIDINGSMETHODEN •

1 • .ie_·:!~e.ä-.È.e.ä·~m.!.tl!0.äe ....

B~ dit proces leidt men gasvormige naphtaleen met een 0xermaat lucht over een vaste V205 -katalysator tussen de 4000 en 500 C. De reactie vindt plaats in dunne buiSjeS, die aan de buitenkant met een

/ gesmolten zout gekoeld worden. Dit zout circuleert en wordt zelf op een andere plaats weer gekoeld. De reactie-warmte is zeer groot n.l. 3a30 kg cal/kg naphtaleen. Meestal ontstaan echter tussen 5000 -6000k8 cal/kg naphtaleen, omdat

de oxydatie verder gaat en ean gedeelte van het naphtaleen tot CO~C02 en maleInezuuranbydride geoxydeerd wordt. Het voorkomen van plaatse-lijke oververhitting is dan ook "n van de moeilljkBte problemen b~ dit proces.

Hoewel theoretisch slechts 42 x 5

=

22i volumedelen lucht nodig zijn voor de verbranding van één volumedeel naphtaleendamp, werkt men in de practijk met meer d en honderd vol~edelen lucht per volumedeel naphtaleen teneinde buiten de explosiegrens te blijven. Maar daardoor

'Wordt de relatieve druk van het verkregen phtaalznnrenhydride in de

verbrandingsgassen zo laag, dat bij a~koeling het pht.anh. niet

con-denseert tot een vloGistor maar meteen tot een vaste sto~. Er zijn

daQrom achter de reactie kamer en daarop volgende ko~ler een aantal

condensatiekamers nodig, waarin het pht .anh. zich r1lStlg

ar

kan zetten. Volgens de beschrijving van dit proces in: "Bios Final report

no 15~ Item no 22" werd in Duitsland uit .100 delen naphtaleen J.(X)

-1\J..e delen ruw pht .anh. geprodttcG0rd, hetgeen een omzetting van circa

86 ~ betekent. Dit r1:lWe pht.anh. is 9710 zuiver en wordt daarom nog gezuiverd door behandeling met zwavelznnr en destillatie. Deze zuive-ring heeft een rendement van 97 ~ en geeft een product met 99,7 ~ zui-verheid.

2 ._~-De "fluid bed" methode _ _ _ . - _ . - _ _ ~;..a.

Volgens dit proces, beschreven door J.A. Lee in Chem.Met.E.ng.

Jllly 1345 pg 100 - 10J. (toen het nog maar 55 dagen in bedrijf was ./)

bevindt de katalysator zich in de reactor 1n·fluidized"vo~. Doordat de gehele reactor-inholld zich in een zeer turbulente toestand bevindt en een katalysa~ordeeltje dus het ene moment boven en het volgend

mo-ment onder ~in het "f"luid bed" damrrezig kan zijn, is de tem:perat"tlr door

het 3ehele flaid bed~ C0:13ta'1t; tG.11óevolóe iT0'1 de cirî t e "'s.r;l1teoapaci teit

van de katalysatordeeltjes t.o.v. gas. Daardoor kan hier bv. het naphtaleen vloeibaar in de reactor geïnjecteerd worden zodat ook de verdampingswarmte van naphtaleen me:.: kan helpen de oxydatiewarmte af' te voer.n.

Enkele voordelen van de "fluid bed'· methode zijn:

a. Er is minder lucht overmaat nodig, omdat de explosiekans ver-mindert. :Jen explosie-golf wordt namelijk door de "flllid" katalvsetor gebroken. Hierdoor is de part. dampspanning van pht.anh. in de verbran-dingsgassen hoger, waardooD de condensatie ver~e~akkelijkt wordt.

" b. D90rdat geen "hot spots" ontstaan, mdBr de temp. in het gehele

f"l~1d bed constant is·, is de reactie beter te leiden. Rr ontstaan geen moeilijk te verwijderen bij1?rodn.cten. Het prodllCt ls 99 ~ zUiver en

zonder verdere zuivering te gebruiken voor de bereiding van esters en de meeste phtaalzllur-h3rsen.

o. Er i8 een betere warmte-overdracht tl1ssen het Mfluid bed" en een

~roeleude wand, omdat de" fltlidized" katal~rsato-r de VOI"1ling van een ls\ni

-naire gasfilm met hoge warmte woerstanrl langs de wand zo goe1 als on-moc;elijk maakt.

Als verdere gegevens oveE dit p~oces vermeldt Le~ een omzett ing van 65 "JeI een reactiewarmte van 5560 !tg calpQS naphteleen een reacti~­

temll. van 4w 0 C en een ge~(ic:1tsverho!J""l.ing lncllt:nephtaieen = 10: 1..,.

Bij spreekt de verwaChting uit, dat het rendement van dit ryroces spoe

-: . , I

i!'"' .

.. .. '

\.

-3-~. ~u.2.h.!oy~a!i.! :!a]; ..Q.-ETle~n..s.

Volgens een artikel van J .R. Callaham in Chem.Eng.All.g.1947 pg 116 - 11~ kan men o-~leen op dezelfde wijze met lucht over een

vaste V~J5 houdende katalysator oxyderen als naphtaleen. Alleen zijn

bij dez"U' reactie 3 moleculen

o.e

nodig per molecllul :xyleen~~tI~ijl

ook de theoretische reactie warmte geringer is n.l. 2628 . /kgxyleen Het o-~Tleen word t veTkre;,:!;en uit de ··hyà:rofo:r"1:IJ.tng- l.nstallatie~

n.er petrole'llï1ind.11.fitrie. Het W;:'ll"'11, vc; '.'16l" 1)(-;f18.YJ.r'leJJt f)"')lezelt':le wijze

als het naphtaleen bi 1 :le ·'f ixe1 ·be:'l··'1et:ho1e.

C. 4)TNERI~~G ViJ.li JE I1UZR l AI'l :'E~T PLlOCRS.

\

Wanneer we de in. ,ele vorige paragraaf genoemde processen met

el-kaar vergelijken valt voor Nederland de bereiding van pht.anh. uit

o-xyleen onmiddell ijk uit, :)uldat de hoeveelheid aanwezige xyle&n t.o.v.

de hoeveelheid naphtaleen een technisch proces niet toelaat.

Bij vergelijking van de andere twee processen vallen de voordelen van het "tlt11d bedoe proces meteen op. Als belangrijk nadeel staat daar tegenover de voorlopig nog geringere opbrengst. Het is echter mogelijk

wet behulp van economiscge gegevens lti t Bios Finel report no 9~ een

schatting te maken over het economische voordeel van de overbodige zuivering bij het -fluid bed- proces tegenover het nadeel van de

ge-ringere omzetting.-Hier ~ordt n.l. als prijs vermeldt van:

'1.sphtaleen 13 - 14 pf'/kg

rmr pht8alz; aM. 38 pf'/kg

zuiver pht.8~ydride 50 pf/kg

Aangezien het rendement bij het Duitse proces zonder zUivering b~ is en bij het -tluid bed- proces 6~ ZOU in dit laatste geval, bij overigens gelijke productie kosten de prijs van ongezuiverd phtaalz.anh. 86 , Mede met

6!

nemende opbrengst proces te kiezen, voordelen. x 3ö = 50,3 pf/kg zijn.

het oog op de stellige verwachting van spoedig

toe-is het dus economisch: verantwoord het ··fluid be<l"

hetgeen dan ook gedaan wordt met het oog op de andere

D. TE PRODUCEREN HOEVEELHEID.

Bij de bepaling van de te produceren hoeveelheid ls gelet op: 1. De hoeveelheid geproduceerde naphtaleen in Nede~land.

a.

De Nederlandse behoette.

1. Met het oog op transportkosten is het nuttig een pht. aM. fabriek te plaatsen naast eon bedrijr, dat voldoende nsphtaleen a~s grondstot produceert. Er is hierbij gedacht aan de cokestabriek van de staatsmijn Manrits in Ltmbnrg, die tegen het einde van dit jaar e en verweikingscapaciteit heef't van 7500 ton kolen/deg

=

a.?OO.ooo

on/ jaar.

Per ton kolen komen ongeveer 25 kg koolteer vrij, welke volgens ruwe schatting voor ~ uit pek, 2aL uit anthraceeno11e, ~ uit naphtaleenolle en ~ uit w880lie bestaat. Uit naphtaleeDOlie is 6~ rOBe naphtaleen te winnen. De mogelijke jaarlijkse opbrengst aan naphtaleen is dusi 65

~.?OO.OOO ~o x ~ x

100

=

5265 ton/jaar.

l~ar 'l' gew. deel naphtaleen 0 75 gew.deel phtaalz.anh. geeft zon dit dus een jaarlijkse productte aan pht.anh. kunnen geven van:

t

x 5265

=

3949 dus circa 4000 ton/jaar.

a

.

cm

e bn schating te maken van de Nederlandse 'behoefte kunnen

we een vergelijking trekke~ met de U,S.A. Hier was de productie van

,

.

7 :1 , ' " , ~ i ' , i ",~. "f 'f ... .,. ,i' ft" . \ " i; of • :;.' , _, \' / " ,t : '""I .1 ,

.

I ' _.:

..

, v ,I.

J

J

..

'\

,

-4-Bij een inwonersveehoudint 1fan 15 : 1 zou voor federland hielm.1t een produ.ctie volgen van /15 x 56.000 = 3'144 on/jaar. Daar de productie sinds 1945 gesteg'n is nement1J~ volge.nB deze beschomriq

voor Nederland een productie van 4000 Ijaar aan. .

Beide schattingen komen dus tot ongeveer hetzelfde getal. Voor de te ontwerpen fabriek werd daarom de capaciteit vastgesteld op 4000 toa per jaar. '

/x

~

Gl!Ka'.liII VARIANT.

In het artikel van Lee in ChemJtet .Eng. van Jll11 1945 worden weinig gegevens vermeld over apparatuur en uitvoeringswijze.

Ir

is het volgende gegeven:

Quetting 65 ~

Reactiewarmte 5560 kgoal/ kg naphtaleen

~~~:~i:Sc:~!i~;~~n::

li~h: ;J'x/t~R/ja8r

d.i. 150 lrg/nttr

Zuiverheid : ~9,.

Reactietemp • : 400°0 Z.

-r

~

Reactietijd :

>

1 sec. ---- I

Afmetingen convertor: doorsnede 5 tt,hoogte 30 ft(~ = 1 52

m,)

,

(hoogte

=

9,1b

m

)

Voor nadere gegevens zijn we, wat de convertor betreft aange-wezen op de patent li teratn.ur en wat =Vetref't de voorbehandeling van

\ naphta~een en de nabehandeling Van pht .anh. op de beschrijvingen van

, de Htixed-bedH

uitvoering zoals we die vooral vinten in Bios Final report

na

1597 Item no 22.

De gevonden patenten over IIf'luid bed' convertoren zijn:

U.B.P • . Brit.P.

U.S.P.

2.373.008 van 3 April 1945 . 583.0. van 5 Dec. 1.946 2.453. '140 van 16 Nov. 1948

alle drie van de Standard Oil Company.

In het Britse patent wordt de katal~8ator nit de convertor af-gevoerd

i

gekoeld en dan weer met de gassen ondele.· in gevoerd, zodat ze

een koe emde werking he aft op de reactor inhoud. Aangezien de kata-lysator eohter onbeperkt lang bruikbata i8, is het niet nodig haar uit de convertor te ve~i3deren, hetgeen extra mechanische moeilijk-heden oplevert.

In de 'beide Amerikaanse patenten bl1jl't de katalysator in de reactor behoudens een geringe hoeveelheid, die meegevoerd wordt met de gassen en afgescheiden in eon cycloon. In het laatste p.atent wordt het~flu1d· of ·danse bed" gekoeld door koelbuiajes, die het"dense bed"

niet verstoren. Boven dl:t"dense bed"wordt de reactor ru1mer, zodat de gassnelheid afneemt en de katalysator bezinken ka~~ Daardoor la er een scherpe scheiding tussen -dense phase- en -dilute phase- en wordt slechts weinig katalysator met de gassen meegevoerd. Daar de koelblu -zen ook door deze rnimte heenlopen daalt de temperat1.1.11r hier snel,

zodat ongewenste zijreacties vermeden worden.

De convertor uit dit laatste patent wordt gekozen, omdat hierbij de meeste numerieke gegevens vermeld worden.

De beschreven reactor is berekend voor een prodnï~ie van 2000 ~

aooo

Ibs 124taalz .anh~ per dal5. Wij willen maken 24.000 uS/dag

(= 11.110~/dag= ~7,5gr/sec) zodat 4e beschreven rector 10 maal ver-groot moet worden.

. De afmetingen der beschreven reactor zijn:

doorsnede 3 ft; boven "dense phase·· rl.11mte van 5 ft; 7 1roelbtlisjes met doorsne(le 2-6 inch·; onderlinge· al'stand 4 inch.

Deeltje grootte der katalYsator is 10 - l00~

Dichtheid v~ kat. zonder opwa~rtse snelheid gas:35 - 401bS/cutt

om;;;;

(=0,56 -o,6~r/cm ) ft

dichtheid bij opwaartse snelheid van 0,0~,5 /sec:25-101bS/ouft

dichtheid lij opeaartse snelheid van 1-~t/Beo:lo-à>lb8/0U.tt ""

(~,l6-0,&gr/om ).

\ : c-' , ~. ' • • 0" , I

~~

.

~? ~~c'l),:~~~

fJ,~JA'b K...~~ 1-.-,' . ) t· I ,'11';1":\ ,. L / /

.

/

.' f I

~

(

.'

-5-B1j het te berekenen proces wordt 4000ton/jaar phtaalz anh

gema~tt. Bij dezeltde gegevens als voor ~S~ door Lee besChre;en •

proces gelden is hiervoor dus nodig 53~~Jjear nanhtaleen of

w

el

1~ gr/sec. Hiervoor is dus nodig 1,7 ~ lubAt/sec.~ Blj een samen-• stel11ng van de lucht van 1 dl ~~ op 4 dl ~ 1s het gemiddelde mole-.

cn.la1rgew1cht ... ~e zodat blj

oOe

en 76 cm drnk het volume van

1,7 kg l~)lt

ta':-a

_

x 22,4

=

1~ liter is. Bij de react1e temp. van

4~

J8

d~t "86tQ liter hetgeen tezömen met het gasvor.mtge

napllt·aleen pen volume

van

3'120 lIter/sec geett. .

Om de patent reactor om te rekenen 1n de hier gewenste vorm nemen we ~or ie dichtheid van kata~sator zonder opwaartse

snel-heid 0 ₁64 lcm en voor de dichtheid 'tn"dense phasè 0 16 gr/emlt.

In de "nense phase' is de ruimte voor het gas dus

I

van' de inbond· De gassnelheid in het "dense 1>~(f· lis dus 4/3 maal de snelheid, di~ het gas zonder kat. zon gehad heboen.

Nemen we voor het gas de maximale vert1cale snelheid van

OOom/seo 1n het Adense b$Q'(zonder kat. dus 671 cm/seo) dan moet bet ..

oppervlak van de hor. doorsnede door de convertor 37.20 = 551 ~1jn.

6,75

1Ie nemen nu als doorsnede van onze convertor acm 260 cm. Het oppervlak van de doorsnede is dan 4~ dm2 ( van de besch8evln con-vertor ls de doorsnede ~ cm en het doorsn.opp. dus 63,3 dm )

Bij de beschreven convertor is de totaal omtrek van de koel-buisjes in een doorsnede 7 x 2nr (r

=

1 inch)= 110,2 cm, zodat in onze convertor deze totaal omtrek~ x 11û,2

=

aS1 cm moet z1jn.

6~

,

~

Ne~enwe voor de keelbuisjes de maximale doorsnede van 6 inch, den is

de omtrek van een koel bnisje 21i ~~ = 47 om, zodat dus 851 == 18

koel-.... j'L,J - 7

.

..

•

"

...

_o

•

•

•

•

0

•

' 4

buisje~( s--n~o-"d"""lg Zijn! welke bij voor;keur in ne- .

venstaand patroon iggen.

De oppervlz:kte .. van ~ze 18 koeibU1Sjee in eam

doorsnede 1S te; x 1\ r = 31cl> cm zodat als

oppervlak voor het"dense beduovérbllj~t

490 - 32

=

458 ~. Per seconds moet door dit

oppervlak een hOeVeelhe1i gas van 3~ liiit b~j 480

e

en 76 cm

Hs.

In het"dense bed" i$w(\it /~x 3720 = 4960 er/sec hetwllk een snel-heid -geeft Ten 4900 ) I 108 /8ec. Aangezien de maximale snelheid

~

..

458 108

00 om/sec is wordt het gas onder een.drlik: van ~ = ,. ,2 atm. gebracht.

Als hoogte van het dense bed wordt 3 meter gek~zen. Naphtaleen kan op verschillende hoogten in dit dense bed ingev .ctTd worden afhan-kelijk van de contacttijdl. die gewenst wordt . In hett\4ense bed" i8 ech-ter nog een druk verval. JJ88r delldense pha8e"hierbij reàgee:rt als e D.

vloe1sto~ van dezelfde dicht eid zou over tien meter dus een drukverval van 0,16 atm. optreden en dus over 3 meter een drukverval van 0,048 abB. Onder in de reactor treGdt de lucht dus binnen met een overdrtlk van

1,25 atm.

De gekozen convertor heeft dus een doorsnede van 250 om. (boven-aan 340 cm), een hoogte van het dense bed van 300 cm en van de rnimte boven het dense bed van 225 cm.

F. BESCHRIJVING VAN BET PRODUCTIE SCHTWA. (Schaal der tek. 1 : 25) Het proces i8 in twee stukken gedeeld en hier wordt-alleen be-hahdeld de verwerking van het gesmolten

l z~ere naphtaleen tot het

eindproduct.(De nummers verw1jzen naar ne nnmmer1ng der tekening)

De voor de verbranding van het naphtaleen benodigde lucht n.l.

laaG liter/sec bij

oOe

en 76 cm Eg wordt ~ia een luchtrilter(l) 8an-gezogen door een blower van het Roots-type(2). Daarna wordt de lacht door ecnwarmte ·U1twisselaar(S) 1n tegenstroom met de

verbrandinga-gaEVIJ n geToerd. Deze warmte u1 twisselaar . dient om de verbrandi - . A

gatvisen at te koelen. Tegelijk wordt de luoht hierin ToorYerwa1'!lld. Hoewel het Die* van groot belang ia met welke temp. de lucht in de verbrand1ngarutmte komt en een lage temp. zelfs gnnst1g is voor de

~o r der reactiewamte kan een te lage temp. verstoringen geven

van

de constante temp. in het -dense bed~.

.' ;'

•

" • •

..

.

.

.

f

., '.1, ...

...-,.-.

!

/

-6-De gezUiverde, voorverwarmde lucht komt

jen in

de reactor(4)

Naphteleen kan van opzij in het -dense bed- worden ingevoerd maar

ook tegelijk met de lucht als een nevel onderin. Er moet in het

~

la 8tste~ev81 zorg voor gedragen woraen dat het naphtaleen niet

terug kan vloeien in de lUChtleiding en daarom wordt het naphtaleen

ingevoerd in een vernauwing van de toevoerbuis. .

De reactor heert .an de onderzijde een conische overgang naar

de lnchtaanvoerbuis. De conn.swand heeft een hoek vahinstepw 600

met de horizontaal teneinde het weer in de lnchtstroom brengen van~~

ui t het "dense bed·· nuar beneden vallende katal;Tsator-deeltjea te

vergemakkelijken. Onder het -dense bed·· bevindt zich dan vervolgens

een~rooster van gevlochten sta raad. Vanwege de hogere snelheid

van de lucht in de gaten van het rooster vormt dit een voldoende

sche iding tussen "dense bed-en de ruimte eronder.

Nadat katalysator deeltjes gelegenheid gehad hebben in de ~­

te boven het "dense bed·· te bezinken omdat de gassnelheid daar lager

is vamvege:

a. grotere doorsnede reactor

b. gas zonder katalysator-deeltjes

C. dalende temp.twordt de evt. meegevoerde hoeveelheid afgeschei

-den in een ml~ ticlone (5) en van hierui t, met de

verbrandings-lllCht weer meegevoerd in reactor.

De multiclone, die feitelijk uit een aantal kleine cycloon~ea

bestaat en'Jwaarin de intredende gassen door schtlinstaande schoepen in

een wervelende beweging gebracht worden, heeft voor kleinere deeltjes

grotere af'scheidingsmogelijkheden, dan de gewo::J.G cycloon. De laatste

gaat meestal niet verder dan deeltjes van 20~ en kan daarom hier niet

gebruikt worden. .

zoals in hoofdstuk K velmeld iS, bevinden zich in de reaotor

in het "dense bed" een serie koelbuizen. Hierin circ'lleert een

ge-smolten zout. In de binnenbllisjes gaat het' :zout naar beneden en in de

bl.lltenb~isjes stijgt het weer 02, daarbij warmte opnemend uit het

Wdense bed". In de stoomketel(öJ staat het gesmolten zout de warmte

weer at, waarbij water in stoom wordt omgezet. Daarna wordt de

vloei-stor in een warmte uitwisselaar(7) door ~oud ketelvoedingswater nog

verd€r gekoeld en dan via een pom~je weer terug gevoerd in de

koel-buisjes in de convertor. Ren electrisch verwarmde su~pletie tank(S)

waarin zich gesmolten zout bevindt zorgt voor een constant niveau in

dit koelsysteem.

Om ebn ruw idee te krijgen van de hoeveelheid warmte, die door

het koelsysteem afgevoerd WQatlworden bedenke men, dat de

reaotie-warmte 0,170 x 5560= 945 1QS,.8 lsec ia. Zou de lucht in de reactor

treden met een temperatuur van 200°0 dan is voor de verwarming van

lucht tot de reactie temperatunrcK!n 460°C nod!g; .

1

_,

7 x 280 x 0 252

=

~ ~ Isec ( 1 7 kg lucht/sec cpluOht

)

,

"

is gem. 9,~ .

De verdampingswarmte van naphtaleen is 175,5 _grcal/gr zodat het

verdampende naphtaleen verbruikt 0,170 x 1/5,5 = 12,d kgcal. Met het

opwarmenvan de nB-phtaleendampt{)t a;..n

t

r~actietel'n'geratuur zal door

lucht en naphtaleen dus ongevfl~r

i4U

ca / sec o-ogenomen worden. De

overblijvende war."lte van &5 Irgca Isec zal dns door het koelsysteem

en door uitstralingmoeten worden weggewerkt. Het koelsysteem heeft

dti~rv(:)or. in .Q,et"dense }ed'· een koelend oppervlak van lö x (-n.Xl5x3)6)

;::: ~5.WU cntC = 25,5 rrfC-• .

Nadat de verbrandingsgassen dns in tlalticlone (5) ontdaan zijn

van meegevoerde katalysator deeltjes en in warmte uttwisselaar(.i)

zoveel warmte afgest~ian hebben, lat de temperat'1l1r ongeveer 200°0 is

komen ze in de sublim8tiekamers(~ en 10). Dit Zijn rechthoekige ru~­

ten van 4 meter lang, rllim 4 meter hoog en 4J centimeter breed.

Hier-in worden de gassen verder afge1_{weld en kan het vaste nhtaalzlluranh.}

zich tegen de wand afzetten zodra 4e tem-peratnnr laag genoeg is. ~azbo:

neGr het phtaalz.anh. Zich, zoals hie~ afzet uit een inert gas ontstaat

het in de vorm van fijne lange naalden, die als een lJsse sneeuw te

-geD de wand kleven en spDedig d ~or eigen gewicht naar beneden Vallen

Ij' (). --" " , ' \ ( j ~ • j' " " 'î

"

'," " " '>" t .~' ... ' \ {

.

. ' .' )

.

_{( '}

_.

_.

_..

_fp

_.

, . i " j " , ) < r .1. .' . v ',', "~) ~ . ''''''

r

I

1

r

-7-Doordat de gassnelheid in deze grote ruimten, waarin de gassen

door een verticale, bijna tot aan de bodemgaande plaat tot een

be-paalde weg gedwongen worden, zeer gering iS, krijgt het ontstane vaste phtaalz.snh. gelegenheid zich af te zetten en ook naar de bo-dem te zakken. Met opzet is daarom (le scheidingsplaat dichter bij de intree- dan bIj de llittree opening geT'laatst, teneinde de opwaartse

snelheid kleiner te hond.en dan de n§_@rg.aa.Ylde.

Kr

zijn acht sublimatiekamers waarvan oce eerste vier met

wa-ter gekoeld worden teneinde de temperatuur der gassen zo laag

moge-lijk te krijgen(g), terwijl de laatste vier met lucht gekoeld worden

omdat hier het afzetten van het phtaalz.anh. van groter belang is dan de de verdere koeling(10).

Een apart probleem vormen de verbindingsbuizen tU2sen de ka-mers omdat hier,yooral in de ,horizontale gedeelten zich zeker ook

phtaalz.anh. zal afzetten. Ze zijn daarom voorzien van n1twend1g te bewegen borstels, waarmee eens 1n de twee uren de pijpen worden

ge-reinigd. De sublimatie kamers zelf blnnen elk uitgeschakeld worde.

doordat de gassen dan rechtstreeks naar een volgende kamer geleid

worden. Ze kunnen dan schoongemaakt worden hetgeen eens in de week

moet gebe1l.ren.

De uit de ltiatste sl.1blimatie 1mrner ont'lJl'i ~p~enrte gassen worden

in een cyoloon(11) zoveel mogelijk van restjes phtaa1z.anh. en

phtaalzlllU' ontdaan en r18n via een ""Rootsblower-(12) en een 35 meter

hoge schoorsteen(la) in de atmosfeer geloost. Om last vanwege

even-tueel neerslaand phtaa~zuur anhydride te voorkomen, àn omdat de ver-brandingsgassen ee~ niet onoelangrijke hoeveelheid CO bevatten is

bove~n de schoorsteen een gasbrande~, gestookt met generatorgas, aan-gebraoht, die verbranding van alle brandbare bestanddelen tot

CÛ2

en Ha0 veroorzaakt.

Het uit de subllmatlekamera met behuln van de schroertranspor-tenrs verzamelde phtaslz'1J1r anhydride is nog niet zniver. Het bevat

nog veel phtaalzuur tengevolge van de. ~reactie van phtaalz .aM. met -uVlèlterdarnp. Deze waterda.m1) ontstaat in voldoende hoeveelheden bij de

oxydatie, maar wordt gelukkig voor het grootste gedeelte met de ver-brandingsgassen meegevoerd, vooral als de aangezogen verbrandingslucht

droog· is. Maûr vOCDTde verkoop moet het llhttHÜZ~,ur weer gedeh.vdrateerd

worden tot phtaalz.anhydride. Bovendien ia de kristallijne vorm, waar-in het phtaalz .tinh. zich in de··condensors- afzet te voluminells en niet geschikt voor verkooB. Het grodll.ct wordt daarom nog gesmolten en gedurende vier uur op 200 C verhit, waarbi j al het phtaalzlltlr omgezet

wordt in phtaslz.anh.

De schroeftransportell.rs storten het pht.anh daartoe op een tra ,nsportband (14), die het naar een kaar vervoef.t, waarin ook het in de cycloon verzamelde product wordt gestort waarbij door een eleo-trisch klopsysteem Je afgezette kristallen VA i1 de 'IOn:mc'l worden

losge-maakt. Vanuit de kaar wordt het product door Elen schotten-t ranspor-teur(15) continUb in een geopende smelttank(16) gevoerd. Doordat tijdens het vullen de stof reeds gesmolten wordt, wordt het ,robleam

van de volumineuze kristalmassa opgelost.

Voor elke smelttank geldt dus een tijd van vullen verhitten (gesloten) en ledigen. Nemen we voor het vullen een tijd van vier nUT

da evat de smelttank 4 x 3600 x ~7 5

=

1.b37 kg htaalz anh

Gedurende--d'e -vè:dift'tfngst-rjd."-"ïör<r-e-- e ontW!J'Keriaë--Wàter amp weggez ogen

en eerst door een rui'TIte(17) geleid₁ waar meegevoerd ptjtaalzuur en

phtaalz.annvdride zich kan afzetten en daarna geconaenseerd met water

in een sproeicondensor(lb). Een centrifugaal pompje(l~) zorgt voor ve:nninderde druk in het systeem.

N~ de verhittingsperiode wordt de vloeibare phtaalz.anh. gelei-delijk naar een z.g. "rlaker·'(w) gevoelt"d • Dit is eon van binnen met

v\ltiter gekoelde cylinder, die lU'1gz8a.rn ronddraait in een bak met gesmol-ten phtaal.anh, Het pht.anh. stolt op het cylinder. oppervlak en wordt aan de andere zijde met een mes continu van de cyllnder afgeatreken1

waarbij schilfers pht.anh. ontstaan. De smelttank en de voorraadbak

van de "flaker" z~jn van stoommantels voorzien om het pht .anh. vloei-baar te maken en te hOlltien.

j . î

..

I ~ .. :,' : ' ; . " ~ :': . '. r·· > ., r·

- - -

-

-d-De caoaciteit van -flskers- kunnen vari~ren

lbsjSO ftfr}r. Hier is t:;ek(lzen oon capaciteit van

Daar de cvlinder een doorsnede van één meter en e

t~~en -10 en 100

Isq tt/hr~

lengte van

!

1. 50

7 fO x 0 45ao

=

'e smelttank leeg.

I

meter heeft is de capaci tei t van deze

··tla'lter-114~ kg/uur dus in één uur en veertig minuten

In het geheel zijn dns drie smelttanks nodig.

Van de ··flaker·· gaan de pht .anh. schilfers via een t ransport-band (21) en een elevator (~G) in een Silo(2ä) v~n w~aruit ~e via

een kaar(24}. in verzend-tonnen èSGstort woràen, dle tljd.ens J.1et vtlllen

op een trillend o]~ervla~(~6) staan.

G, BE.REKENING VAN DE CONVERTOR.

In onze beschrijVing hebben we een convertor gebruikt met afme-tingen gebaseerd op de gegevens in het Amerikaanse ptitentvoorschrift

no 2 .453. "IqJJ. 'Ne willen nu :'I.oor berekening nagaan of i l'1 deze

con-vertor de beschreven reactie kan pl~8ts vinden en zo niet in welke mate de afmetingen veranderd moeten worden.

De physische gegevens over de eigenschappen van een ··tlnid 'hed"

z~n nog niet voor controle door middel van berekeningen vatbaar en moeten daarom gebaseerd blijven op de patent-gegevens. Anders staat het met de grootheden betreffende de afvoer der ontstane warmte door buitenwand en koelbuisjes. Op pg 6 van dit verslag lezen we,

dat deze hoeveelheid nog b05 kgcal/sec is. Nu is h~t echter niet zon-der meer mogelljk iedere warmte hoeveelheid door een bepaalde wand-oppervlakte af te voeren. De weerstand tegen deze warmte overdracht die bij turbulent stromende gassen en vloeistoffen hoordzakelljk door de laminaire film langs de wand geleverd wordt, is wel te varie~ren

maar slechts binnen vr~ nauwe grenzen.

Onze berekening verdelen we nu in drie gedeelten. Eerst bere-kenen we de warmte afvoer door de buitenwand van de convertor (a). De rest van de warmte moet atgevoerd worden door de koelbuisjes (b), Hierbij berekenen we eerst de warmte opname door één koelbûisje

waami t het aantal koelbllisjes volgt. Met behulp van ditaanta! zul-len we daarna trachten te berekenen tot welke temperatuur het gas af'gekoe ld wordt in de ruimte boven het "dense bed·' (c) •

.!)..:,. !aED!e_af'voe.!: dO.Q.r_d~ ~a!!~

Bij de betrekkelijk lage 't:6mperatuur van d6 reactOL' verwaarlozen

we de warmte afvoer door straling. Er blijft dllB over ele warmte afvoer

door convectie. Aan de buitenkant is er de warmte-overdracht van de warme wand aan de lUChtstroom, die vanzelf ontstaat tengevolge van

de hoge wand-temperatuur. Aan de binnenkant is er de warmte-over-dracht van een "fluid bed" aan een metalen wand.

Betreft"ende de warmte-overdracht door een "fluid bed·· aan eeg vaste wand z~n gegevens vermeld in Ind. Eng. Cnem. Juni 1949 pg

tl47

en in Chem. Eng. Progr, Sept. 1949 pg 568. In het eerste artikel worden formules gegeven, waarin wel grootheden voorkomen

betreffen-de betreffen-de vaste betreffen-deeltjes en betreffen-de eigenschappen van het "fluid bed~' maar die alle betrekking hebben op lucht als dragend gas. In het andere artikel zijn de formules opgesteld voor verschillende gassen en be-vatten ze de eigenschappen van die gassen in de vorm van Cp; er komt

echter geen enkele grootheid in voor, die netrekking heeft op de vas te deeltjes. AangeZien het gas voor het grootste gedeelte uit stikstof b~staat en de soortelijke warmte dus slechts weinig afwijkt van die van lucht (volgens een proefberekening was C~mengsel=O,2?

en Cplucht=O,26), maar de eigenschappen betreffende ~e vaste deel-tjes geweldig kunnen varie~ren nemen we voor onze berekening de formuló~ uit Ind, Eng. Chem.

Voor een uitwendig verwarmd (gekoeld?) ··fluid bed" geldt:

I , h

=

0 _{, 011 b} (p m GO) 0 , ~63

.up;:5 waarin:

-9-f'

m = conc. vaste stot' in ··fluid bed·· (lb/cu ft)

Go

=

massa snelheid v.h. gas (lb/sq ft/hr) D = gemiddelde diameter deeltjes (t't)

p

= 0,16 gr/cm'6 = 10 Ib/Eu t't. (hoven aan pg 5)

~m = OOJA = 0,0002 ft. (onder aan pg 4)

GP

=

lö~ gr/456 dm2/sec

=

301 lb/aq ft/hr.

D~t ingevuld in (I) geeft: h = bO,39 BTU/hr/sq ft/OF.

Voor de warmte a1'voer door vr~e luchtconvectie langs lange

verticale pUpen geldt (perry pg 985):

11. he = 0,4 (atsl Do ' )0 ,25

waarin:

.A _{t s}

=

temp. verschil tllssen oppervlt&k en omgeving in oF.

Do' = bUitendit&meter in inches.

Nemen we de geldigheid van deze t'ormule ook voor dit geval aan en

s tellen we de wandtemperatuur op 400°0 bij een omgevingstempera-tuur van 2000 dan wordt A.ts

=

'152 - 6b ~ 6ö40F. BLi een wanddi kte van 1 inch wordt Do'

=

9b 3 + 2 = 100~3 inches. Dit ingevuld in

(11) geert: hc = 0,6464 BTU/hr/aq ft/uFo

Bij de warmtegelóidl.ng door het sta~l van de wand geldt voor

k = 23 BTU/hr/sq ft/oF per ft = 276 BTU/hr/sq ft/oF voor deze

wanddikte (blj 40000; zie Perrypg 949).

Voor de overall-coeft'iclent U van de warmte overdracht geldt:

111. 1 = 1

116

hiOi +

4

-kOgen~ uitwendig en gemiddelde ~~ gebruiken: 111: 1

=

1 + 1 + 1 + 1 huOu

waar1n

°

,Oen 0 resp. het in-oppervlak z~ln: ~zijn i ongeveer geliJk)we " hi _k

hu

Vullen we onze bekende grootheden hierin

dan krijgen we: U = 0,646 BTU/hr/sq ft/OF. Voor de warmte overdracht van binnen naar buiten geldt:

IV. ~q

=

U .fO(ti - til)

Indie-n dq ui tgedrllkt wordt in ~rcal/sec wordt U = 0,°0<21355 x 0,646 =28,.,5 x 10-7 grcal/söc/cm

1°0;

dO

=

300 xlT'x 252,b4 = 210.200 cm ; ti - tu = 46000. Dit ingevuld geeft dq = b 46 kgcal/sec.

Er blijt't dus nog 796,5 kgct&l/sec over om af te voer~n door de koelbulSjes.

1)..:. !t&E'llte_a!"oe.! ~0.2r_de ko~lbuisle§..

Voor hoge temperaturen zijn water of stoom niet meer geschikt als verwarmlngs- or koelmiddel van wege de hoge d~mpspanningen

die dan optreden. In het algemeen geldt als temperatn.T.lrgrens

240°0. Boven deze temperatuur kan men tot 370°0 gebruik maken

van de z.g. Dowtherm vlo~isto:r. Voor nog hogere temparatuur n.l. tot 54000 kan men gebruik mesken van H.T. S., dit is een geemol ten zoutmengsel bestaande ui~ 4O~ _{NaN02 ,}

710

NaN03 en 5~fo KN03. Omd~t

de r8~ct1etemperatuur hl.er 460°C iS, is het het beste H.T.S. te

gebr~ken. Uitvoerige gegevens over de pnysiache constanten en

het gebruik van H.T.S. vindt men in Am. Inst. Ohem. Eng. 36 371

-3~4 (1940).

-We gaan nu eerst de warmte arvoer door ~~n koelbuisje

bere-kenen.

ho-·

~

.f'

. ~ ' . . " , ... t ~ • . ' , . • ' _I "_ t ~ J . ...~~ . "

•

-

-10-rizontale ttoorsnede het binn~nopp~rvlok der binnenbuis gel~k 1S aan het oppervlak tuss~n binnen en bui tenbllis, dns 01. - 02

=

°

_{3 .}

Bij dl = 6 inch, de dlkte van de buitenbuis is

. 6/16 inCh en die van de blnnenbuis 3/16 inch

krijgen we:

. 0, o.

<?t

= 182,:5 cmG, 02 = 99,2 cm2 , 03 = 83,2 crrf!. .

~1 dl = 15,24 cm , _{d 2}

=

11,24 cm I tt₃ = 10,29 cm •

. We stellen de temperatUtlr van het gesmolten zout

. < :» • op de plaats waar het koelbuisje het "dense bed" <" _. ~~- ~ verlaat op 3EOoC

=

6620F. Verder nemen we daar

.r----4.,_":__ ... als stroomsnelheid 1 ft/sec. De dichtheid van

het zout b~ deze temperatuur is 113,9 lb/cu ft, dus is de massa-snelheid: 1.1.3,9 x 36(X) ;: 41.0.000 lblhr.sq ft-.

Op pg ab3 van bovengenoemd artiKel wordt voor gesmolten zout door een bUiS gegeven:

( DG/

r

_waarin: )1,14

~ ;: viscositeit ln lb/hr.ft

D = binnendiameter in f't.

Indien we echter deze formule gaan gebruiken moeten we beseffen, dat we hier een buis met binnenbuis hebben. Inpla~ts van het Rey-noldts getal DG/~moet dan gebruikt worden 4 mG/~ waörin m, de ~V­

d~ulische str~l, gelijk is aan het opp. der vloeistof in een

ho-rizontale doorsnede, gedeeLd door de bevochtigde omtrek. Aangezien de gezQmenlijke omtrek van binnen en buitenbuis 83 15 cm ls, is de hydraulische straal l,OOlb cm

=

0,036 ft. Inplaat~ van D moeten we in formule (V) dus invullen 4 m = 0,132 ft "

Ui t de afleiding en het gebruik van deze formnle blijkt, dat de temperatuur afhankelijke grootheid

t

bij dtjtempt:lr~tuur Vljn de hoofdstroom genomen wordt en niet b~ àie van de film. Blj 35000

geldt ~;: 5,5? lb/hr.ft.

Vullen we deze getallen in in formule (V) dan krUgen we:

h

=

232,9 BTU/hr.sq ft.oF

Voor een 1nwend~g verw~rmd (gekoeld?) "flllid bed" geldt:

P

m2 )0 ,236

V I • h = 0,0433 ( ... "'="""~

D_p3

Vullen we hierin weer in

1:

= 10 lb/cu f t

en Dp

=

0,0002 ft dan is h

=

56 44 BTU/hr.sq

ft.O~.(In

Ohem. Eng.

Progr. staot de formule h

=

0,3A C Gl,15 wOQrin 0 op de

gase&n

betrekking heeft en G

g~ld~

voor

e~n

volkomen legB reactor. Bere-kenden we volgens deze formule dan kregen we h = 61,84 dllS onge-veer dezelfde Uitkomst)

We nemen voor stoal weer k bij 40000. Voor een dikte van 6/16

inch geldt dan k

=

?36 BTU/hr.~q ft. oF.

Voor d~ overall coeff'icl~nt passen we dan weer formnle (111) toe. We krijgen dan U = 46,1 BTU/hr.s'4, ft .0F

Om

nu de overall coefficient onderoan de 3 mete~ lange koel-buis uit te rekenen stellen we dat daar de temperatuur van het zout ?oC lager iS. De numerieke waarde van k voor staal verandert

d~n niet terwijl ook de f'ilmcoet"f. voor het "fluid bed" gelUk bl~1t't ..

In form~le (V) z~t echter wel een temperatuur afh~nkGl~~d

groot-heid n.l.

K

= 5,60 lb/hr.ft. h blijkt dan gelUk te zijn aan 225 8.

U = 45,? ~TU/hr.sq rt.oF. '

Voor de J~rmte overdrticht gebrlliken we de formnle:

lV: . { = Ur(·Ap - t

~t2

)

~,

~

~.

~

watirin U het

ge~iddalde v~n

Ui

en U2 i8 .

...

-..---_.

-

-11-Vullen we alle gegev~ns in deze formule in dan krUgen we

~q

=

12bOO grcal/sec. We hebben dus b05/12,b = 63 koelbuizen no-dig inplaats van de getekende lb.

De door een ko~lbuis opgenomen warmte ga~t in het gesmolten

zout zitten. Aange~ien het opp~rvlak der buitenbuis 83,3 cm2 is gaat er 83,3 x 30 4b = 2540 cm gesmoLten ~o~t par seconde door,

Aangezien de dichtheid 1,b1 en de Cp = 0,373 is neemt deze

hoe-vee.1.heid per oe 1 716 kgcal op. De tempertlttnur van het zout in de binnenbuis ter' hoogte van de grens van het"1; "dense bed ··is dus

300 - ~ = 342,550

e

Teneinde exact te weten welke temperatuur het gesmolten zout onder in de koelbuisjes heeft moeten we nog de warmteover-dracht van binnen- naar buitenbuis berekenèn.

Daar de temper ... tuur in bui ten en binnenbTlls weiD.ig

veran-aert nemen we voor de grootheden uitsluitend rekenkundig

gemid-delden. Dan wordt voor de buitenktont h = 229 3, terwi.il voor

staal bij 3500C geldt: k

=

1567 BTU/hr.s1 ft.OF. Verder kunnen we

de filmcoeff. vOvr de binnenkant uitrekenen uit

0f)

w~~rin G enn

~gel~k blijven en D

=

0,3374 ft. Dan wordt h

=

262,8. Vour de

overall coefficient geldt dan: U = 113,5 BTU/hr.sq ft.OF.

Nemen we nu U constant en voor het temperatuur verschil over de gehele lengte 7,45/2

=

~,720e. Dan wordt dq = 5bO grcal/sec.

In de binnenbuis stijgt de temperatuur dns 0, 34,0C en in de bui ten-buis ? ,~1 oe

We krijgvn dul:::S 63 inplaatl:t v ... n 1b buisjt:S in de reesctor. Bij

nauwkeurige b~l:::Schou"ing van de berekening van deze 1B koelbnis-jes op pg 5 bl~kt, d~t we in de pestentreactor voor de straesl der koe.1.buisjes ook 3 inch hadden kunnen nemen, wa~rdoor het aäntal

bUicjes in Onze reesctor 3 x lb = 54 zou zijn geworden. Verder geldt ",lS grens, d~t de ko~lbt1isjes mlnstens 4 itlch van elkaar

moeten stabn. Nemen we aan d~t elk bn.isje staat 1n het centrum van een geliJ'küijdig paralellogram met een hoek van 600 , dan ia het

oppervlak van elk zo'n par. ??4 cmf daar het üpp. van de horiz. doorsnede door de gehele convertor 48bOO cm2 is. Voor de afstand tussen de buizen van middeLpunt tot middeLpunt geldt dan 29,88 cm en voor de afst~nd van buis tot buiS 12,74 cm = 5 inch. De con-vertor met 63 buisjes valt dus ook binnen de grenzen van het

pa-tentvoorschrift •

De hier berekende reactor verschilt van de getekende door~t

het gas sleChts een oppervlakte van 48800 - 63 x 231

=

34250 c~

ter beschikking heeft wQardoor de snelheid 4960/342,5

=

145 cm/sec zou worden b~ atmosferische druk. Om de snelheid dus toch op

. 90 cm/sec te houuen moet het gas op een druk ~an 1,6 atm gebracht

~.",I worden.

\

~

B~

onze verdere berekeningen verandert tltlleen Go in formule

Y

_{- - - -}

c) .Warmte afvoer boven het ··dense bed: (I). Dit heeft echter zo goed als geen invloed op de resultaten.

We hebben hier een zeer gecompliceerde toestand:

De gassnelheld verandór~ door het w~der worden der convertor.

Er zullen nog ve~e vaste d6~~tjes rondv~iegen, die grote invloed

op de filmweerstQnd en ha~r dikte zullen hebben.

De gassen, die eerst vertlcsül naar boven gaón worden spoedig in

horizontale zin afgebogen n~~r de uitg~ng.

Aangezien het onmogelijk is dit geval exact te berekenen

gStltn we vereenvondigen. We ver"o ... r~ozen de invloed der deeltjes

en stellen de gasstroom verticaal tot 115 cm boven het "dense

b~d; des~rboven (uitvoer precies in het midden) stellen we de

g~sstroom horizonttlttil. Het is dnidel~k, dat we zo slechts een

zeer benaderde wotltrde krijgen, di~ echter slechts uit experimen-ten ~u"keuriger il:::S te bereken~n.

-.. ;.-:-- ..

.

.

. . _f' ~ f " -I ' 1 . - . ~ . .. :' i. . ~ . : ."

-- - - - _ . - - - -

-

-12-Blj de berekening verdelen we deze ruimte

in drie gedeeltón~ a) van het -dense bed"

to"Catin de volle breedte der

"bezinkings-ruimte'· (78 cm), b) van hier tot 115 Cm

boven het "dense bed'· (37 cm), c) de rest

(115 cm)

g

t

~~ a) In deze ruimte kunnen we aannemen, dat

~- ":'-"' do overall coefficient regelmatig afneemt

Q.

1'....

'

van de wISarde bij de doorsnede 250 cm tot

a,oc- • ( die bij 340 cm. Het is dos nodig haar bij

i

deze beide doorsneden te nerekenen.

Voor dèv berekening van de filmcoefficient aan de blu "Cenkant

van de buisjes kunnen we gebruik maken van ûe stelling, -~at bij

een gasstroom, die evenw~dig iS aan de as der buizen voor de

filmcoefficl~nt dezelfdG formules genomen mogen worden als voor

de filmcoeff. aan de binnenzijde, mits de diameter vervangen

wordt door 4x de hydaulische st~al (perry pg 984).

We nemen hier de formnle: (perry pg 973)

VII. h = 16, 6 C~ ~ G ' ~o

,

b

(Di 0, waarin:

G' = massasnelheid in lb/sec.sq ft

Di' = binnendiameter in inches

boven het "dense bed··) 16'10 gr/34250 cm2 = 0,1117 lb/

G'

=

(vlak

sec.Bq ft.

Di': in de hor. door~neae heert ieaere pijp 1/63 deel = 543 cm2

ter beschikking. Voor hbt doorstroomde opp. rond de pLW blijft

dus 543 - 231 = 312 cm2 _{over. De "bevochtigde- omtrk is 53,85 cm.}

Di'

=

~~x 312/53,b5

=

23,2 cm = 9,12 inches.

Voor de Cp moeten we een aanname maken over de eindsamenatelling van het gas. Uit het artikel van Lee is alleen bekend de

samen-stelling van het gas voor de verbr~nding, de omzetting, de

reac-tie warmte en het feit, dat de verbrandingsgassen veel CO

bevat-ten. We weten nu het warmte-effect voor de volgende reacties:

~ + 42 02 .=

~~

+ 2 C02 + B H20 + 426 kgcal ~o + 7 02 = 10 CO + 4 H20 + 551 kgcal

00

00

0',)

+ 12 02 = 10 C02 + 4 H20 + 1232 kgcal

(Bios Fi nal Report No 1597)

Gaan we eChter uit van 65',4 rendement en et':Jü r~t:ictlewarmte van

5560 kgcal/kg naphtaleen, dan moet de 35% overbli~ende naphtaleen

geheel tot CO verbranden om ue r61Sctiewarmte te leveren. Er

schuilt dus e~n fout in de gegevens van het Bios-rapport of in

het artikel van Lee. We maken daarom een aanname en stellen, dat

18jit van het naphtaleen verbrandt tot CO en 20% tot C02. We kriJgen

\ dan voor de samenstelling en de soortelijke warmte van het gas,

\ dat uit hót "dense bed" komt:

Component: gewichts ~: Cp blj 4öüoC: Aandeel totale Cl>:

CO~ 10,33 0,274 0,02800

~B

5

,

45 0, f() 0,01727 2

,

99 0,266 0,00802 N:a ro,75 0,259 0,18325 O~ 5,71 0,254

°

_,01450 pht .anh. 6,b4 0,35 0.02394 Cp =

°

,

27528

Om formule (VII) te mogen toepassen moeten we tnrbulente

stroming hebben dus Re = 4mG~> 2100. Aangezien bij 4ö()oC de

visco-siteit voor stikstof pl = O,Oö46 lb/hr.ft is en het gasmengsel

voor het grootste gedeelte uit stikstor be~taQt n~w~n we nler

de-zelfde ViSCositeit,. omgerekend in overeenkomstige eenheden geeft

. \

.

}:

.

, ' ,

-.

' , . . "

-13-64250

gehele rui.a geldt: m ::a_2501t + 17 14X63xu..- 8,19 cm = 0,2687 ft.

We krijgen dan: '

. Re = 1.074 x 0Ü1Lf7 = 5110 dus deze formule mag

toege-past worden. 2,35 x 1 5 '

°

b

Formule (VII) wordt dan:h = 16.6 x 0,2753 x (0,1117)' =

0,8086 BTU/hr.sq ft.OF. (9,12)0,2

Indien we nu voor de filmcoeff. in de buis en voor de warmtege-leiding uour he~ me~~~l weer de grootheden nemen, die boven in het "dense bed" golden, dan verkrLigen we met fonmlle (111):

U = 0,007 BTU/hr.so ft.oF. ,

Aan het einde -van afd!=lling a) 1 s bet heschïk:1;are oppervlak

van een dOOrsnede 76040 cmG _{geworden zodat daaT' G = 0,0503 lbl}

sec.sq ft. Aangezien de pijpen dezelfde onderlinge afstand

behou-den en het gas in de ruimte langs de wand nlet mee duet aan de

warmte-overdracht aan de pijpen blijft Di'= 9,12 inches. Hier wordt

dan h = 0,26&6 en U

=

0,2664 BTU/hr .Sq ft. oF.

V007<Id warmt~-overdracht in atdel~ng a) passen we toe:

~

.... -;

O(~tllJ2-bt2Tlt)

.u .. "

/q

In At1U2

.

a20î

Stellen we, dat bovenaan afdeling a) het gas 20e afgekoeld is .6ti = 21QoF en At2 = 2340_{F ictO = 4,52 Bq ft. Dit ingevuld geeft}

voor ~~n pijp: dq = 393 6 BTO'/hr = 27,5 greal/sec. Voor 63 pijpen

dus 1,74 kgcal/sec. Het gas zal dus 1,74/1,87xO,275 = 3,4°0, afkee-len.

b) Voor deze afdeling geldt U = 0,2664. Nemen we hier een temp. daling van~ee aan dan is de gem. temp. 476,10e en het gem. temp. verschil tussen zout en gas 2270_{F. Verder is~O = 2,14 sq ft.}

Passen we nu formule (IV) toe dan is dq = 130,4 BTU/hr = 9,14 cal/ sec. Voor 63 buizen d\~ 0,576 kgcal/sec. De afkoeling zal hierdoor 1,10

e

zijn.

c) Deze afdeling 1S de lastigs·Ge. Nemen we hier een horizon-tale stroming v~n links naar rechts aan dan is de massa-snelheid geheel links gelJjk aan nnI. Naar rechts gaande z~l er door een

vertic~al oppervlak, loodrecht op de stromingsrichting een steeds

toenemende hoeveelheid gas gaan en wel evenred~g met het opper-vlak van het Cirkel-segment links van dit oppervl~k. Tegelt~er­

tijd verandert het verticale oppervlak zod~t de massasnelheid per eenheid van oppervlakte van twee variabelen afhankel~k is. We zullen dit geval nu vereenvoudigen door de afdeling in twee hel1"-ten te verdelen. Links berekenen we de warmte-overdracht voor alle bu1~je~

met

behulp van een filmcoeff. die geldt in een

ver-ticaal vlak, dat in de hori~ontale uoorsnode het halve cirkelop-pervlak in twee gelijke helften verdeelt. Voor de rechter halve cirkel nemen we op dezelfde w~ze een gemiddelde filmcoeffic1ent aan.

Links:

- - -De horizontale dOlJrsnede wordt dus'

1\

in vier gelijke delen v~rdeeld elk van \

2 ,265 m~ Aangezien voor de buitencirkel " ~\ \.

geldt: D = 3,4 m ish = 1,014 rn (vgl. ~\

perry pg 03). We berekenen dan voor : \

a,= 3,108 m. ,Voor de binnen~irkel g~ldt ___ .~i_

..

, \

D=2;5m,h=O,564mena=2,Ob9m. 4, .' J.. ')

Voor de verdeling der blüzen geldt als 0.' I

afstand van middelpunt tot middelpunt ' 1 29,bb cm. Er gaan dus 7 huizen op a'.

vt

Deze nemen 7 x 17 14 = 12û cm van a in

beslag, zodat er overblijft 1,908 m. ~ .

Daar de lengte van afdeling c) 1,15 m

is, is het vrije oppervl~k tussen d~ buiz~n

gaat

t

x 1670 = 467,5 gr gas. We passen nu

V 111.

hm=

O,Oöl Cp

rrD,

ÖQ.;/3 / (Do' )1/3

dus 2,194 m2. Hiordoor

toe de fonnllle: ( zie

perrv pg 982)

':,i

+

r

Ol • -14-Hierin is: G

=

~57,1 _{lb/sq ft.hr., Do}'= 6,75 inch en T

=

4700C

=

8780_F

=

l!3a

o

_F

_{abs = gemiddelde temp. ln de 11nkerheltt. Deze waarden}

ln-gevuld ln (VIII) geert:

hm=

1Û155 BTU/hr.sg ft.OF. Met behulp van

formule (111) krijg~n we dan: = 1 49 BTU/hr.sq rt. F.

Het temp. verschil tussen zoui en gas is 2160_{F; het}

opper-vlak van een buis is 6,66 Sq .rt. Met formule (IV) kr~g~n we dan

voor één buis: dq

=

19~ BTU/hr. Voor de warmteoverdracht aan

alle buizen 1n deze atdàling geldt dan 61tlOO BTU/hr

=

4,32 kgcal/

sec. Rechts:

- - -HIer geldt dezelfde redenering. G_{m wordt drie} w~al zo groot

dus G_m= 47.16~ lb/sq tt.hr. Stellen we de gemiddelde temperatuur

hier op 460 C of T = 13200_{F tibs. dan ls}

hm=

_{2,411 BTU/hr.sq ft.oF}

en U

=

2,375 BTU/hr.sq tt.oF. Voor één buis geldt dan:

dg = 312b BTU/hr en voor de gehele afdeling: Q

=

98500 BTU/hr

=

6,bb kgcal/sec.

In de gehele afdeling c) koelt het gas 11,2/1,ö7xO,275

=

2l.. ,80_{C af.}

, In de gehele ruimte boven het "dense bed" koelt hel; gas dus

af -tat. 453,?OC

Om

de afkoeling van het zout in deze rUi.mte te berekenen

moeten we beseffen, dat voor lOC afkoeli ng in áén bl1.is 1,716 kgcal

nod1g zijn. Voor alle buizen dus lOb kgcal. De afkoellng is dus

slechts 0,1250_{C. Het was dus geoorlootd zoals we gedaan hebben}

om de temperatuur van het ZO'1t gel~jk te nemen in deze ruimte.

Dooru~~ we ln ueze ruimte de vaste deeltjes verwaarloosd

hebben, zal het werkel~ike temperatnttrVerloop waarsch~jnl~1k anders

zijn. Controle is echter voorlopig nog alleen mogelijk door tempe-ratuurmeting in een werkelijke reactor.

H. LITER! TUURLYST •

De voornaamste li teratul1r laten we nog even hieronder volgen:

~ee: Chem. Met. Eng. Juli 1945 pg 100-101

Bios Finsl RepJt no 1597 Item no 22

Callaham: Chern. Eng • Aug. 1947 pg 116-119

D.S.Patent no 2.453.740 v~n 16 Nov. 1948

Mickley and Trilling: Ind. Eng. Chem. 41 pg 1135-1147 (1949)

Kirst, Nagle and Castner: Am. Inst. Chem. Eng. 36 371-394 (1940)

perry: Chemict!ol Eng.tneers' Handbook 1941

-~- - - ---~--- _---~----

-I

...

r

-

)

_ _ _ , ~ _ _ _ _ ~ _ _ _ _ _ _ _ _ ~ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ .~tl!_~~t _ _ _ _ _ _ _ _ ~~

.-'---~---

- - - -

--/ '