Het vloeibaar maken van chloor

Laboratorfum "vo()r Chemische Technologie

'J

.10) "'.

" , -... _.~_ I ... _ . : _ .... _ _ ~

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

LABORATORIUM VOOR CHEMISCHE TECHNOLOGIE

Verslag behorende bij het processchema

van

F. C. H. Jongenelen

A. L. Staal berg

Onderwerp:

HET VLOEIB~ MAKEN VAN CBLOOR

Qbrechtstraat 94, Den Haag - 3 Alb. Cuyplaan 7~ Zoetermeer

Opdracht

Literatuuroverzicht

Physische 'grootheden

'1. _{Berekening van de mólenstromen} a) van _{en naar de voor koeler} b) _{van en naar de condensor}

c) van en naar de absorber d) van en naar de kolom

2.

_{Berekening van de massabalansen voor chloor en tetra} a) de massabalans voor chloor

b) de massabalans voor tetra

3.

_{Berekening van de warmte balans}

a) de warmtestroom van en naar de voorkoeler b)

_"

_{van en naar de compressor} c)

_"

_{van en naar de condensor}

..

_d) 11 _van

en naar de absorber

e) 11

van en naar de kolom

",!'l

f) _{overzicht van alle warmte balansen.}

4. Berekening _{van de koelmachine en de condensor}

5.

Berekening _{van de destillatiekolom en de reboiler}

a} berekening van het x-y diagram b) berekening van het H-x diagram

c) berekening van het aantal schotels van de kolom

d) _{berekening van de kolomdiameter}

e) 1>erekening van de reboiler Berekening van de H_{20 balans}

Berekening _{van de 002 balans}

...

3 4

5

6 8 9 9 :15 ~5 20 23 '26 28 29 30

32

Opdracht: Het vloeibaar maken van ohloor

Volgens het in bijlage 1 aangegeven schema wordt chloor uit de e-lectrolysecellen vloeibaar gemaakt. (220 ton/dag droog gas). let

ingaande gas met samenstelling 97 mol 'ra C1₂, 1 mol fa H₂, 1 mol ~ CO 2, 1 mol

%

lucht en 40 ppm H₂0 wordt met een Demag centri~­ gaal compressor van 1 tot 3 bar gecomprimeerd.

Vervolgens wordt een groot deel van het chloor gecondensee~d, na-dat het afgekoeld is met koelwater. In deze condensor wordt de voelbare warmte en de condensatiewarmte ,afgevoerd meteen één-traps koelmachine (T

=

-

16 °C). Hit de condensor treedt restgas

'met een chloorsamenstelling van

85

mol

%

.

Het restgas

wordt

van

". ohloor ontdaan met een tetra-absorber totdat de eindsamenstelline;

van het spuigas ca 10 mol

%

C1₂ is. In een destillatiekolom wordt

" ·het chloor van de tetra gescheiden; de hoeveelheid tetra in het tapproduct is 10 ppm.

De druk in de absorber en in de destillatiekoloDl is ca 3 bar. ·De samenstelling van de bodemafloop uit de kolom i~ 2.6 mol,

%

C1₂; de hoeveelheid bodemproduct uit de kolom is 147 mol/sec. '~

<

Ret bodemproduct wordt warmtegewisseld met de voeding in de'kolom.

De temperatuur na warmtewisseling is 00 C. Deze stroom wordt'

na-, 0

gekoeld met de reeds genoemde koelmachine tot - 13 C.

In de condensor en in de absorber bestaat explosiegevaar,

door-dat;. H

2 en Cl2 kunnen reageren. Het CO2 gehal te ~ernvloedt het

ex-plosiegebied. In verband met de corrosie van _{C1 2 als} gev~l~ van de aanwezigheid van water is het watergehalte in de apparatuur van belang.

Sevraagd wordt: "

a) massa- en warmtebalans van C1

2 en CC14 over het prooes, ~ b) massabalans van. H₂, CO₂, lucht en H₂0 over het proces,

c) ,. berekening van het compressor vermogen en het vermogen v--a.n. de benodigde koelmachine,

d) berekening van de hoo~dafmetingen

tiekolom en de 'reboiler.

van de condensor, de

destilla-B. a) het gas uit de electrolysecellen wordt, v6ór het de

com-pressor intreedt, direct gekoeld met verdampend chloor

tot - 300 C, bij een dl~ van 1 bar. ~

b~; de

.

reboiler is, i.v.m. de veiligb,eid uitgevoerd met een

_.

tusserunedium (00-1

...

--.. Li teratuur •

1. Ziegler, L., Chem. Ing. Technik, 22, 234 (1950)

2. Perry, J. H. e.a.,Chemical Engineers' Handbook,4th edition, McGraw-Hill, New York, 1963

3~ Weast, R. C. e.a., Handbook of Chemistry and Physics,

edition, The Chemical Rubber Co., 1966

~

4.

Hougen,

o.

A. & Watson, K. M., Chemical Process Prin91~les, John Wilèy

&

Sons, Inc., Kew York, 1948 ~

t

5.

Kolosovskii, N. A., J. Gen. Chem./USSR/, 4, 1027-3} (1934)

6. Klrk~ Othmer, Encyclopedia of Chem. Techn., 2n~ ed, p. '129

De Leeuw den Bouter, J. A. en De Nie, L. H.,

sche Scheidingsmethoden, D. U. M., Delft, 1967

Hengstebeek, R., Distillation, Reinhold Publishing New York, 3rd ed. 1966

9. Lewis, G, & Randall , M., Thermodynamics , 2nd ed., McGr~w-Hill, liew York. 1961

Lapidus, L ., Digi tal Computation for Chemical Engineers, cGraw-Hill Book Company, New York, 1962

Kramers, Prof. Ir H., Fysische Transportverschijnselen, 'Y.. , D. U. fu., Delft, 1961

Berkel, van, Prof. Ir F. C. A. A., Collegedictaat Chemische

I Werktuigen, T. H., Delft, 1965

-Moleculair gewicht van chloor: tetra 70,92 153,84 28,812 44,01 2,016. 18.016

Soort. warmte chloor gas vloeistof tetra vloeistof H 2 e0 2 lucht inert Dampspanning tetra

Dichtheid chloor gas

vloeistof tetra vloeistof

: 33,257 + 195,902 x 10-4 t -42,883 x 10 -6

t

2 J/mol oe

diverse waarden uit 1it. (1) in tabel vorm zijn in een grafiek

(bijlage 2) uitgezet. : 124,49 + 173,12 x 10-3 t J/mol (1) (1 )

oe

: 28,54 J/mol oK .' (5) ~' (2) : 29,20 : 35,91 31,22

"

11 11

zie 'grafiek in bijlage 6, ont-leend aan lit.

3,221 1460 : 1595 kg/m3 bij 00 C en 1 11 11 (2) (6) (2)

. I '

..

..

1. Berekening van de molenstromen.

a) van en naar de voorkoeler.

In de hierna volgende vergelijkingen is voor de voeding de index

o

gebruikt, voor de molenstroom van de voorkoeler naar de

oompres-sor de index 1 en voor die van de condensor naar de voorkoeler (

vloeibaar _{C1 2)} de index 2. (alléén naar de voorkoeler dan) •

De voeding vanuit de cellen bestaat uit 97 mol

%

_{C1 2}

1 mol

%

H₂

1 mol ~ _{CO 2}

1 mol

%

lucht (02 en Y2)

40 ppm H₂0

Het gemiddeld moleculair ge'Nicht van die voeding is

97 x 7°192 + 2 x 1,008 + 1 x (12,01 + 32) + 1 x 28,812 = 69,54078

100

40 ppm H_{20 komt dus over}een met 6,664086 x 100 x 40 = 1,54

mol

~.

.

000

x

18,016

De molenstroom van de voeding bedraagt 220 t/dag

=

2,55 kg/sec. =

•

=

2955 x 1000'

=

36,62 mOlen/seo.

6

,54078

.

Door de expansie bij 1 bar van vloeibaar chloor, afkomstig ~an de

cond~nsor, wordt de temperatuur in de voorkoeler - 300

c

.

De samenstelling van het gas in de condensor is 85 mol ~ 01

2' en

1p

%

inert; de druk is ca 3 bar of te wel 3 x 0,9896

=

2,96 atm.

, ,Derhalve is de partiaalsparu1ing van het chloor 0,85 x 2,96

=

2,52 atm, waarna uit de P-T fieuur (bijlage 3) de bijbeliorende

temperatuur af te lezen is. Gevonden wordt: T

= -

120 C~ .

De genoemde P-T figuur is vervaardigd aan de hand van de

Dampfta-bel für Chlor, bijlage 4. lito (1).

Voor dOe berekening van de hoeveelheid vloeibaar chloor, nodig om

de voeding af te koelen van + 280 tot - 300 C kan men nu de

•

..

..

•

(1 )

blijkt bij 1 en 3 bar practisch niet te verschillen;

der-C

pgCl

2 ~

halve is, wat C betreft, het drukverschil buiten beschouwing ge-laten. Voor eenPgemiddelde temperatuur van + 28

2

30

=

-

1° C is 'cp voor gasvormig chloor nu berekend met de op pagina 4 gegeven . formule. Gezien de zeer geringe bijdrage van de molfractie inert tot de totale enthalpie zijn voor de betreffende C 's de waarden bij 250 C en 1 atm., zoals vermeld in iit. (2),

gen~men.

De volgende waarden voor de Cp's zijn gebruikt:

C _{Cl 2g 33,26 J/mol} OK p

"

H 2 28,54 11 '1 CO 2 29,20

"

11 _{lucht 35,91}

"

De bijdrage tot de totale enthalpie van het H₂0 is verwaarloosd • De bekende getalwaarden invullend wordt het linker

lijking (1) 70.512,71 J/sec.

Ui t het Mollier-diagram voor chloor (bijlage 5, zie' .. ooh: fig. 1)

blijkt, dat de fase overgàng vloeibaar-gas en de expansie van 3

naar 1 bar bij de betreffende temperaturen overeenkomt met een en-thalpieverandering

i

H

van 63,75 x 296,94 = 18.930 J/mol.

log l?

3 atm.

1 atm. _{~--- --- --- ---}

_--

---I - 300

t-+---6H .. / - - -.. H

fig 1, Mollier-diagram voor chloor

rechter lid van vergelijk_{ing (1) wordt dus L2.1.18.930,} · waar-mede voor de molenstroom vloeibaar chloor gevonden wordt:

. f

De molenstroo , die de voor koeler + 3,725

=

40,345 mOl/s c., bestaande

L2

=

3,725 mol/sec. is dus groot ~36,62 +

..

..

b) van en naar de condensor.

Door de compressor wordt aan de samenstelling van de

zoals deze de voorkoeler verlaten heeft, niets veranderd.

dus als volgt.

= 0a97 x :26162 +

21

72

2

40,345 = 0101 x :26,62 40,345 = id. Yl

=

id. = 0,973

=

0,009

=

0,009 ;; 0,009 terwijl de hoeveelheid H₂0 gelijk is aan 1,54 x 10-2 x

6

6162

4 ,345

10-2 mol ~.

1,40 x

(aangenomen is, dat de mol percentages inert gelijk zijn). De stroom van de voorkoeler, via de compres'sor heeft dus weer de index 1, die van de top van de kolom naar de condensor. de index 3, die van de condensor naar de absorber de index

4

en de molenstroom vloeibaar chloor uit de condensor de index 5.

Gegeven is, dat het restgas 85 mol

%

_{Cl 2 bevat}. De hoeveel-heid inert is echter dezelfde gebleven, t.w. 0,03 x 36,62

=

1,10 mol/sec~ Daarom is nu ·deze restgasstroom, die de absorber in gaat,

100 /

-rs

x 1,10

=

7,33 mol sec.(G₄)· ~

De' ~olenstroom uit de top van de destillatiekolom (zi'e p·ag. 20,

Berekening van de kolom) is gelijk aan (R + i).D, waarin R ;:::,,',53 en D

=

6,11 .mol/sec.(zie pag 9, molenstromen van en naar de b-sorber). Men vindt dus de waarde 2,53 x 6,11 = 15,46 mol/sec~(:G3).

De hoeveelheid vloei baar gemaakt chloor .(L

5) vindt men door te bedenken, dat deze gelijk is aan het verschil van de in- en

uitgaande molenstromen, t.w. 40,345 + 15,46 - 7,33

=

48,475 mol/sec

Van deze hoeveelheid vloeibaar chloor gaat dus 3,725

mOl

/sec.

naar de voorkoeler en R.D

=

1,53x 6,11 = 9,35 .mol/sec. als re!lux (L

9) naar de kolom terug. Zie bij "Berekening kolom". Bijgevolg is de

productstroom vloeibaar chloor:

•

samenstelling:

Voor de hoeveelheid water lans. YCI

=

0,85 2 YH = 0,05 2 YCO

=

0,05 2 Yl = 0,05

zie 6, pag. 30, berekening

~ van de H

₂

O-ba-De indices van de gasstFoom naar de absorber, van het spui-gas, van de voeding naar de kolom en van de tetrastroom naar de absorber zijn resp. 4,6,7 en 8. De gasstroom G

4 was bekend, zie boven; ook de tetrastroom (met 2,6 mol

%

chloor er in) is bekend: 147,00 mOl/sec. _{(L8 ).} Gegeven was, dat het uit de absorl)er treden-de spuigas 10 mol

%

chloor bevatte; 90 mol

%

is dus gelijk aan de hoeveelheid inert of wel 1,10 mol/sec. De gasstroom _{G6 is dus} ge-lijk aan 1~ x 1,10 = 1,22 mOl/sec. ",

De uit de absorber tredende hoeveelheid voeding voor de kolom, L

7

,

is nu gelijk aan 147,00 + 7,33 - 1,22

=

153,11 mol/sec.

De hoeveelheid chloor, die in de absorber in de tetra oplost, is gelijk aan 0,85 x 7,33 - 0,10 x 1,22

=

6,23 - 0,12

=

6,11 mol/se Het mol percentage chloor in de voeding van de kolom is nll

~ = 6,11 + Ot02~5~,~t7tOO x 100

=

6,49 mol

%

,

terwijl de hoeveel-heid tetra gelijk iS'a3n 100 - 6,49

=

93,51 mol to.

d) van en naar de kolom.

De 'voeding van de kolom heeft de index 7, het bodemproduct de

~ index 8, 'de refluxstroom 9, de reboilerstroom 11 en het topprodnct de index 3. Alle stromen, behalve de reboilerstroom zijn reeds. be-kend. Deze laatste (zie pag. 27, berekening van de kolom) is e-lijk aan 21,32 mol/sec. De totale stroom uit de bodem van de

2. Berekening van de massabalansen voor chloor en tetra. a) de massabalans voor chloor, in kg/sec.

voorkoeler: in celgas 0,97 x 36,62 x 70,92

van condensor 1,00 x 3,725 x 70,92

totaal in voorkoeler

naar compressor 0,973 x 40,345 x 70,92

condensor: van compressor 0,973 x 40,345 x 70,92

van top kolom 0,999995 x 15,46

x

70,92

totaal in condensor

absorber:

kolom:

reboiler:

afvoer vloeib. chloor 1,00 x 48,475 x 70,92

in restgas naar abs. 0,85 x 7,33 x 70,92

totaal uit condensor

restgas condensor 0,85 x 7,33 x 70,92

van bodem kolom 0,026 x 147,00 x 70,92

totaal in absorber

naar kolom 0,0649 x 153,11 x 70,92

in spuigas 0,10 x 1,22 x 70,92

totaal uit absorber

van absorber 0,0649 x 153,11 x 70,92

reflux van condensor 1,00 x 9,35 x 70,92

totaal in kolom

naar condensor 0,999995 x 15,46 x 70,92

naar absorber 0,026 x 147,00 x 10,92

totaal uit kolom

zoals later blijkt (zie berekening kolom,

pag. 27) is de reboilerstroom 21,32'mol/ sec.

=

2,519

=

0,294 &~!~~

=

~:!;1~~ = 2,783

=

1,096 ~~1~ =3,437

=

0,442 ~~~1~ = 0,442

=

0,271 ~~bl~

=

0,104 = 0,009 Q~112 ---= 0,704

=

0,.663 ~~g1

= 1,096

=

0,271 k~~Z Deze is dus 0,026 x 21,32 x 70,92

=

0,Q39

Overall is de chloorbalans: celgas (35,52 mol/sec.) &:!;~1~

spui gas. (0,122 product (35,40

"

11 11

"

) ) 0.009 2,510 ~1~1~

..

b) de massabalans voor tetra, in kg/sec.

De molenstroom tetra uit de absorber naar de kolom is gelijk

aan (1 - 0,0649).153,11

=

143,173 mol/sec.

Deze komt overeen met 143,173 x 153,84 kg/sec.

₌

22,026

Het bodemproduct van de kolom bevat

(1 - 0,026).147,00 mol/sec, uitgedrukt in kg/sec. = 22,025

Gegeven is verder, dat het topproduct 10 ppm tetra bevat.

Dit topproduct is gelijk aan 0,999995 x 15,46 x 70,92

=

1,096 kgf sec., vermeerderd met de hoeveelheid tetra. De 10 ppm tetra komen dus overeen, in een zeer goede benadering, met 10 x 10- 6 x 1,096

=

= 0,001 kg/sec.

Derhalve naar de kolom, in kg/sec., in het topproduct,

_"

naar de absorber, " totaal uit de kolom"

0,001 22,025

~~.!~&f

Er zal dus 0,001 kg/sec. tetra gesuppleteerd moeten worden, in de absorber b.v.

..:

3. Berekening van de warmtebalans.

Bij alle temperatuurtrajecten Z~Jn de C t s van chloor en

. P

tra, die in eerste benadering een lineaire functie van de

tempera-tuur zijn, betrokken op het rekenIDll1dig gemiddelde er van en

berè-kend met de desbetreffende forrn1ues op pag. 4. Voor de Cp's van de

overige componenten geldt de opmerk~ng op pag. 7. 1e alinea.

Als O-nive~u bij de berekening van de e~thalpie is genomen de

toestand van gecondenseerd Cl 2-gas bij 00

c.

a) de warmtestromen van en naar de voorkoeler in J/sec. (W).

Voor de warmte-inhoud van de voeding kan men de volgende '

ver-gelijking opstellen:

(2)

Vult men nu _{in: GO}

₌

36,62 T O

=

28 YOCI

=

0,97 2 C (bij 140 C)

₌

33,523 PCI 2 Yo

=

0,01 H₂ C

₌

28,54 PH 2 ~O

=

705,630 k';V

Op analoge manier kan men ~1' de warmte-inhoud van de molen -stroom naar de compressor uitrekenen. Bij invullen van de diverse getalwaarden (, C moet nu voor - 150 C berekend worden) wordt

PC1 2

voor deze, stroom gevonden:

~1 = 702,716 kW

Het verschil is juist vlpeibaar' chloor naar

gelijk aan de warmte-inhoud van de stroom de voorkoeler, n.l. L

₂

·x₂ (T

2-O)O C1

2 PCl

C is bepaald met behulp van de grafiek in bijlage 2.

PC1

21

Ge~onden is 65,2 J/mol °K.De overige waarden invullende vindt

~2 = - 2,914 kW

b) de warmtestromen van en naar de compressor.

De st'room naar de compressor is reeds bekend:

0

1

=

Het gas wordt nu gecomprimeerd van 1 tot 3 bar, bij een ingangs-temperatuur van - 300 C. Uit het Mollierdiagram is, zij het

met

e-nige moeite, een uitgangstemperatuur van 430 C af te lezen. De

bij-behorendeó H is gelijk aan 8,125 Cal/g of wel 2412,63 J/mol. Voor

de molenstroom _G1.Y1 wordt dit 94684 J/sec. in totaal. De warm-C1

2

testrQom, die nu dus de compressor Uitgaat, ~it is gelijk aan: ~1

=

797,400 kW

c) de warmtestromen van en naar de condensor.

Gegeven is, dat de temperatu1lr ná de compressor tot 300 C

ge-koeld moet worden. Voor de warmte-inhoud van de gasstroom van de compressor (na de koeler) naar de condensor is te schrijven:

~;~ == G1.Y1 (C (T!j-O) + rO)+ _{G1(1 - Y1} )c '(iJ!!j-e) (3)

. C1₂ PC1₂g C1

2 Pin

Wegens de vereenvoudiging is de term C , d.w.z. de Op van Pin

ge-..

Na invullen van de getalwaarden (o.a. T

₁

=

kend bij 1So C) wordt voor ~1 gevonden:

~;I =' 782,459 kW

In de eerste koeler moet dus aan warmte afgevoerd worden een be-drag van 797,400 - 782,4S9 = 14,941 kW.

Het topproduct van de kolom met een temperatuur, zoals later blijkt

van

-4,60 C heeft een warmte-illi10ud van (alleen in cijfers)

15,46 x 0,999995 (-4,6 x 33,211 + 18.900)

=

289,829 kW.

~3

=

289,829 kW

Hier en in het vervolg is voor rO, zowel bij 1 als bij 3 bar,

steeds 18.900 J/mol genomen. Het verschil is n.l. niet exact uit het Mollierdiagram af te lezen •

De restgasstroom naar de absorber. Hie~voor kan men een ana-loge vergelijking opstellen als verg. (3); de indices worden 4. Getallen invullend levert dit op:

~4 = 7,33 x 0,85(-12,0 x 33,141 + 18.900) + 7,33 x 0,15(-12,0) x 31,22.

~4

=

114,866 kW

Voor de warmtestroom uit de condensor van het vloeibare

C1

₂ kan men noteren: ~S

=

LS.x5.C (TS-O). (4)

C1

2 PC121

In' cijfers ~5

=

48,475 x 1,00 x 65,2(-12)

=

-

37,926 kW.

~S

=

-

37,926 kW

De door de koelmachine utt de condensor af te voeren warmte is gelijk aan 782,459 + 289,829 -(+114,866 - 37,926)

=

995,348 kW.

~C

=

995,348 kW

met Freon; de machine zal later ( zie pag. de koelmachine) besproken worden.

d) de warmtestromen van en naar de absorber.

De

warmtestroom ~4' _{van de condensor is, zie pag.}

_14,

~4

=

114,866 kW

, ,

De tetrastroom naar de absorber heeft, ná de tetrakoeler, een

tem-peratuur van - 130 C _{en dus een warmte-inhoud van (alleen in}

o1j-~ers) 147,00 x 0,974 x (- 13) x 123,37 + 147,00 x 0,026 x (- 13) X

x 65,2

=

~8

=

-

_{232,862 kW}

Het in de tetra opgeloste chloor is als vloeistof beschouwd,

_van-

_, daar, dat C voor chloor uit de grafiek in bijlage 2 bepaald , p is.

Voor de warmte-inhoud van het spuigas kan men op analo e

ma-nier vinden, dat deze gelijk is aan 1,22 x 0,1(- 6,6 x 33,189 + + 18.900) + 1,22 x _{O,9( - 6,6} x 31,22) =

~6

=

2,053 kW

In verband met de eisen. gesteld _{aan de tetrakoeler, valt de} tem-peratuur in de absorber te berekenen _{uit een warmtebalans van}

in-komende en uitgaande stromen. Deze bedra'agt - 6,6° C.

Voor de warmtestroom _{~7' die van de voedine van de kolom,}

te berekenen, dat deze gelijk is aan

~7

=

120,049 kW

Ook bij deze laatste berekening is weer rekening gehouden met het

feit, dat het chloor _{als vloeistof in de tetrastroom aanwezig is.}

"

e) de warmtestrooen _{van en naar de kolom.}

Uit het "antwoord" _{van de rekenmachine blijkt, dat de}

tempe-ratuur van de voeding 850 C _{bedraagt. De enthalpie van deze}

Getallanwaarden invullend levert verg. (5) op

~.

=

1.654,548 kW

7

Dit houdt tevens in, dat in de warmtewisselaar opgenomen moet wor-den 120.049 + 1.654,548

=

1.774,597 kW.

De dampstroom uit de kolom en de warmte-inhoud er van zijn reeds

bekend, zie pag. 14.

~3'

=

289,829 kW

Voor de enthalpie van de reflux, ~9,kan een zelfde ver e~ij­

king als verg.

(4)

gebruikt worden. Dit levert op

~9

= -

7,315 kW

De enthalpie van het bodemproduct wordt berekend met een '

zelfde vergelijking als (5). De bodemtemperatuur is 1100 C; de

mol-fracties zij~veneens bekend en de Cp's zijn met de formules op

pag. 4 te berekenen. Een en ander ingevuld geeft dit als resultaat

voor ~ä':

~8'= 2.097,241 kW

Het ohloor is weer als vloeibaar beschouwd; de soortelijke warmte is genomen bij 550 C en grafisch bepaald m.b.v. bijlage 2 op 52

J/mo'l °C. Uiteen enthalpiebalans over de gehele kolom volgt dan

voor de in de reboiler toe te voeren warmte:

~11 = 725,207 kW

Dit bedrag verschilt slechts zeer we~n~g van dat wat verkregen is

ui t de berekening op pag. 29, waar deze enthalpie gevonden wordt

als het verschil tussen HU en H' van de reboiler-molenstroom.

Daar als eis gesteld is, dat het bodemproduct met een

tempe-r~tuur van 00 C en dus ook met een warmte-inhoud 0 kW de

tetra-koeler in moet stromen, wordt het bodemproduct eerst in de tweede

waterKoele~ .e~oeld tot ca 940 C en daarna .armtegeWisaeld met de !. ~ Cl·

•

~

voeding. In de warmte\nsselaar wordt 120,049 + 1.654,548

=

= 1.774,597 kW gewisseld met het reeds afgekoelde bodemproduct.,

In de tweede koeler wordt dus afgestaan 2.097,241 - 1.774,597

= 322,644 kW.

f) overzicht van alle warmtebalansen, in kW.

voorkoeler: celgas

naar compressor

van vloeibaar chloor

1e koeler: van compressor afvoer in koeler

naar condensor

condensor: van compressor, via koeler

van top van de kolom gekoeld chloor

naar absorber

afgevoerd door koelmachine

absorber: van condensor

in spuigas

van tetrakoeler

naar kolom, via warmtewisselaar

kolom: naar kolom, via warmtewisselaar

reboiler

reflux vloeibaar chloor

" 702,716 2.914 ~~~g~~ 797,400 -14,914 1~~:!:-~~~ 782,459 289.829 371~26 l!:~l~~l~ ) 114,866 9~2.~~8 1.:!:!1~&li 114,866

-

210~2 ll&:!:§l~, 232.862

-

120.042 14~~~1~ 1.654,548 725,207 71~12 ~:!:~~1:!:QZQ

1 ..

vervolg kolom; bodemproduct

naar condensor van de top

2e koeler: _bodemproduct

afvoer in koeler

naar warmtewisselaar voeding

warmtewisselaar: van 2e koeler

tetrakoeler:

onttrokken door voeding

van warmtewisselaar naar absorber onttrokken in de koeler 2.097,241 , 269.829 ~2§1.a.Q10

---=

~!ma:~u 322,644 1.774-,597 g!.~~1!:&~1

o

232,862 - gg...§.§2

---=

4. Berekening van de koelmachine-en van'de condensor.

De koelmachine moet in de tetrakoeler afvoeren 232862 J/sec. De tetrastroom blijft op - 16° e zodat het log. gemidd. temp. ver-schil wordt:

b. T - 1 6 - 3 = 7 , 80

e

log - 2,3 log 1~

Met een aangenomen U van 500 W/m2 oe is het benodigde 232862

7,8 x 500

=

60 m2

De koelmachine moet óók voor de koeling van de condensor zorgen. Hierin wordt.het chloor in de gasstroom G₁ afgekoeld van + 30° tot - 80 C ( uit het Mollier-diagram is een

begincondensatietempera-~ur van - 8° af te lezen); de gasstroom G

3 van - 4,6° tot _ 8°; . de hoeveelheid inert gas in G₁ v

an

+ 30° tot - 12°. Verder wordt de hoeveelheid L5 chloor gecondenseerd bij een gemiddelde conden-satietemperatutlr van - 100 en het ontstane vloeibare chloor afge-koeld van - 10° tot ~ 12° C.

De respectievelijke warmtestromen zijn:

~A

=

39,255 x 38 x 33,613

₌

50140 W ~B

=

15,.46 x 3,4 x 33,14

₌

1742 W

~C

=

1,10 x 42 x 31,22 = 1442 W ~D = 48,475 x 19343

₌

937652 W ~E

=

48,475 x 2 x 65,3

₌

63~1 W ~~;r~~;r W

Bovenstaand totaal wijkt iets af van dat, berekend op pag. 14,

dit is te wijten aan de verschillende wijzen van berekening; daar werd n.l. gevonden 995348 W.

De logarithmisch gemiddelde temperatuur verschillen van de bovengenoemde warmtestromen zijn resp. 21,7°, 9,6°, 11,3° en

5°,

terwijl voor de condenserende chloor het temperatuurverschil 6° is. Voor dit laatste is de U gegeven: 500 w/m2 °C; voor de afkoelende gassen is deze op 50 W/m2 oe gesteld en voor de afkoelende vloei-stof op 250 W/m2 oe (zie lito 11)).

De respectievelijke afkoelende oppervlakken zijn in m2 : 46,2 • 3,6 , 1,7 , 312,5 en 5. Totaal oppervlak condensor dUB 2§2 m2,

to-2 .

taal oppervlak koelmachine dus 60 + 369

=

429 m •

afvoe-i

.

_{Berekening van de destillatiekolom,en de rebo1ler.}

Het mengsel van chloor en tetra moet worden gescheiden d.m.v.

een destillatie, waarbij het topproduct 10 _{ppm tetra en het}

bodem-product 2.6 mol

%

chloor dient te bevatten. _{Voor de berekening van}

het aantal theoretische schotels, dat nodig is voor deze scheiding, wordt de methode van Ponchon-Savarit gebruikt. Daarvoor moet een enthalpie-samenstellingsdiagram worden geconstrueerd alsmede een

z.g. x-y diagram. _{li t. (7).}

De symbolen x ,_{en 7 geven hier aan de molfracties van chloor in}

resp. _{de vloeistof- en de dampfase. De algemene gedaante van een}

gecombineerd diagram is hieronder in fig. 2 weergegeven. De

con-structie van een z.g. _{nodenlijn AB blijkt uit de figuur, hieronder.}

H

1

y

1

_ x,y fig.2 (bijl. 7)

gecombineerd _{H-X en x-y diagram}

a) berekening van het x-y diagram.

Voor een vloeistof-damp-evenwicht geldt algemeen voor

nent i uit een mengsel van n co~ponenten:

y.

₌

_{Ki .xi met} K.

₌

_f(T,x)

n ~ ~

'Ly.

1 l.

=

1

Dit toegepast op het systeem chloor-tetra geeft:

Y1

=

K1·x₁

Y2

=

K2·x2

Y1 + Y2 = _{1, x1} + _{x 2}

=

1

op chloor duidt en index 2 op tetra.

(8) ( 9)

.

Te berekenen is dus de evenwichtsconstante Ki.

Voor Ki geldt:

r

_{. • 1} f . 1 .

fa ( 11) lit. ( 8).

Hierin is f

i =- fugaciteit van de zuivere component (bij gelijke

temperatuur en druk),

fO = _{fUgaciteit van de damp,}

1i

= _{activiteitscoäfficient van de vloeistof.}

Voor het systeem chloor-tetra, bij een druk van ca 3 _{atm, mag de}

damp als ideaal beschouwd worden en kan I men bovenstaande

vergeiij-king _{benaderen door:}

Hierin is Pi

p

(12)

=

evenwichtsspanning van component 1,

=

totaaldruk van het systeem • . _,

lit. (a).

Bovenstaande vereenvoudiging is toegestaan, omdat de

compressibili-~eitsfactoren _{allen ongeveer gelijk aan 1 zijn.}

Men krijgt dus:

(chloor)

(tetra)

Volgens de vergelijking van Scatchard _{& Hamer geldt}

voor de activiteitsco~fficienten: waarin (N.B; x₂

=

1 - x₁₎ 2 RT.ln_{01 ="'12· b1· z2} 2 RT .ln

02

=

0< 12· b 2 • z 1 z1 x 1b1 = _x 1b1 + x2b2 en z2 x 2b2 = x 1b1 + x 2b2 (14) • . lit. (9). (16) • Verder zi'jn b

1 en b2 de termen b in de Van der Waals-vergelijking

(p + ~2)(v - b) = _{RT, voor chloor, resp.}

,..

Voor b₁ en b₂ geldt dan:

(18) • pk en Tk zijn de kritieke druk en temperatuur. Tenslotte is

r i [ÖH1

t

~H2

t]

2

\./\12 = ( - ) _v - ( - )

1 v2

(19) •

AH stelt de verdampingswarmte voor en v het molaire volume van de

.

'.

De evenwichtsspanning Pi kan over een temperatullrtraject wor-den benaderd door een parabool:

Pi

=

POi + aiT + _{bi T}2

Zie fig.

3.

Pi

Door "curve"'fi tting" kan uit het

r

werkelijke druk-temperatuur ver-band de vergelijking voor de pa-rabool worden bepaald.

Met de vergelijkingen (13)

.t.e.m. (20) kan nu de evenwichts-oonstante worden berekend. Voor een zekere waarde van de

vloei-fig. 3

(20) •

-

T

. l stofsamenstelling x wordt een

bijbehorende kooktemperatuur T worden met behulp van de verg.

kendo Altijd moet gelden, dat:

geschat en met deze temp~ratuur

(13) t.e.m. (20) K₁ en K2 uit

ere-Y1 + Y2 - 1

=

_K1x + _K2(1 .- x)· - .1 ~ O.

(21) • In het algemeen zal niet aan (21) zijn voldaan bij de ge-schatte temperatuur. Deze zal dan ook gecorrigeerd moeten worden tot wél aan (21) is voldaan. Als iteratie-procedure is de methode

van Newton-Raphson gebruikt, die op het volgende principe berust. lito (10). Is gegeven, dat f(T)

=

Y1 + Y2 - 1

=

_K1x + _K2(1 - x) - 1 = 0 voor T

=

_{TO' dan kiest men als eerste schatting van de temperatuur T}

=

~1' _{met T1}

-#

_TO' Voor T

=

_{T1 is} f CT) dan ongelijk aan O.

Trekt men aan de kromme y

=

f(T) een raaklijn in he~ pun~ (T1'~1) (zie fig.

4),

dan is het snijpunt van de raaklijn met de T-as een betere benadering _{voor TO' Vervolgens wordt een raaklijn}

'

..

I

.

f(T)

t

T O

T

3 T2 T1 fig. 4 - T

haald, totdat Y_n

=

f(T_n) voldo~nde klein is, m.a.w. Tn~TO.

Analytisch is deze bewerking voor te stellen door de betrekking

T2

=

T1 - f(T1

>/~t

[f(T1

>]

of wel in het algemeen: Men krijgt dus: f(T)

=

Y, + Y2 - ,

=

K,x + K₂₍₁ = f'{T) =

~[~*

+

r1:

~1

]

+ en (24' •

De iteratie wordt voortgezet totdat f(T) kleiner is dan 10- 6•

Voor elke waarde van x zijn dan Kl en K₂ te berekenen en is dus de dampspanning.y te bepalen. Tevens is de bijbehorende kooktempera -tuur bekend.

b) berekening van het H-x diagram.

Voor een component i uit een mengsel geldt:

T T

H" _T -_- H' +

fe'

dT' = HO +

IC

a ' + b'T + c'T2 + .••• )dT·

OT ' P

o

T TO T

H" _{T O p}

=

HU +

fa"

_dT

=

_HÖ

;j<a

n + bilT + c"T2 + ••• )dT TO

Voor de enthalpie van een binair systeem (zo is deze destillati,e bij benadering te beschouwen) kan men dan schrijven:

dampfase

,warmte voorstelt en a', aU, b', bil, c' en c" constanten zijn, ver-band houdende met de resp. c~ s.

..

is aan de verdampingswarmte rT. Dus: Hila T R,a T

=

ra T Hub T _ Rtb T

=

b r T

Als O-niveau wordt bij deze berekening genomen

T

_o

=

0

0

K,

met voor

beide componenten

HO

=

0 J/mol.

Voor component chloor kon gebruik worden gemaakt van een

bel uit een artikel van ZiegIer, bijlage

(4),

lit.

(1).

ZiegIer gee~t de enthalpie van damp en vloeistof als functie Tan

de temperatuur en gebruikt als O-niveau H'

=

100 kcal/kg voor T =

= 00 C, zodat zijn resultaten eerst omgerekend moesten worden.

Door middel van "curve-fitting" kan dan voor· damp en vloeistof de

enthalpie benaderd worden door een parabool. Zie ~ig. 5.

T

---, "-, " / , / , / , , --I I I l fig. 5 H = f(T).

---+

.

H

Voor de, oomponent tetra zijn zowel voor vloeistof als damp de

co-efficienten a, b, c, d van Cp bekend, zodat de vergelijking van

de vloeisto~tak luidt:

Hi

x =

xlii

C1 2 + (1 - x

r

o

CC14 + a' T +

r

T2 +

3'

T3 +

f

T4 ] en dîe voor de damptak

, _{C1 2 [CC14} bIt 2 11 3 d"

--41]

HTY =- yH

_T

+ (1 - y) (H

_Ö

+ a"T + 2" T + ~ T +

4

1"

De mengwarmten

QT

en

QT

zijn niet bekend en daarom in de

bereke-ningen gelijk aan 0 gesteld.

Voor het berekenen van de vloeistof- en de damptak moeten dus

,

•

-uitgerekend. Het berekenen van het x-y-diagram en van het

H-x-dia-gram is uitgevoerd op de digitale rekenmachine. Het programma "en

de bijbehorende getalband ~ijn in dit verslag opgenomen als

bijla-gen (9) en (10). x y T H" _damp H' vIst

.

oe _{kJ/mol kJ/mol} 0 0 138.6 73.3 45.3 0,01 0,1813 125.9 66.6 43.3 0,02 0,3159 115,5 61,7 41,6 0,03 0,4192 106,8 58,1 40,3 0,04 0,5006 99,4 55,3 39,1 0,05 0,5660 93,0 53,0 38,1 0.10 0,7602 70,3 46,5 34,4 0,20 0,9027 46,1 41,8 30,3 0,30 0,9533 32,4 40,1 27,8 0,40 0,9757 23,3 39,3 25,9 0,50 0,9867 16,4 38,9 24,4 0,60 0,9924 10,9 38,6 23,1 0,70 0,9955 6,3 38,4 21,8 0,80 0,9973 2,3 38,3 20,8 0,90 0,9987 - 1,3 38,1 19,8 0,95 0,99932 - 3,0 38,05 19,3 0,96 0,99945 - 3,3 38,04 19,25 0,97 0,99959 - 3,6 38,03 19,15 0,98 0,99972 - 4,0 38,02 19,06 0,99 0,99986 - 4,3 38,00 18,97 1,00 1,00000 - 4,6 37,99 18,88 Tabel 1

Ui t het "antwoord" van de reke,nmachine is bovenstaande tabel 1

samen esteld. Aan de hand daarvan zijn ook de grafieken, bijlagen

..

)

..

..

H

1

. '"

c) de berekening van het aantal schotels van de kolom.

Ui~ de grafiek in bijlage (7) kan nu, bij een gebruikelijke reflux verhouding van R

=

1,3 x R 0 , met de methode van

Ponchon-ml.n.

Savarit het aantal theoretische schotels ber-ekend worden. Er

blij-ken 6 theoretische schotels voor de scheiding nodig te zijn. De

voeding moet dan ingebracht worden tussen' de

4

e en Se schotel van

boven. (Zie fig. 6 en tabel 2. V1 1 2 3 4 F 5 6

-

---

----B :fig. 6 fig

7

LV

M ~. scho-x R 1 R2 L V telnr mlsee m/se( 1 0,993 1,53

-

_{9,33 15,4.E} .' 2 0,930 1,52

-

9,29 15~ 3<: ... 3 0,355 1,38

-

_8,4~ 14~5~ 4 0,085 0,91

-

5,5( 11,5E 5 0,060 0,86

_-

_{5,25 11 f·3E} 6 0,026

-

0,090 ~60,2~ 13, 2• :~ reb. 0,026

_-

0,141 ~ 67, 7~ 20, 7~ tabel 2

Berekening aantal theoretische scho-tels m.b.v. Ponchon- Sava~itmethode.

Rl is gedefinieerd als ~ en

R al c V ( 0 ~o 7) 0 R

. 2 s d' = B Zl.e .1. l.g. , waarl.n 1

gelijk is aan de reflux verhouding

bo-ven de voedingsechotel en R

2 gelijk aan die beneden deze schotel.

L

Nu is Rl

=

D

=

L . t 0 ol

V 1 -

LV'

enn J ~ '

zo blijkt uit het schema, bijlage

1;

V1 = Lv + xFoF - xB·B zodat men krijgt:

L

R1 = xF.]i -

~. B

Met behulp van een massabalans over een schotel en met een van bovenstaande

..

gelijkingen kan op elke schotel de vloeistof- en dampstroom

kend worden.

Voor de berekening van het aantal practische schotels kan men,

de z.g. Murphree efficiency E invoeren:

E

=

Zie ook fig. 8, waarin de

oonstructie is weergegeven.

x E 0,2 _{- 1,}

°

0,88 0,15 0,86 0,10 0,85 0,05 0,78 0,025 0,60 Tabel 3 Murphree efficiency H

1

,met gegevens voor

x en E in tabel 3.

fig. 8

•

Met bovenstaande gegevens kan voor elke vloeistofsamenstelling

de werkelijke verrijking van de damp bere-kend worden.

Men vindt dan

8 practische

schotels. Zie

tabel 4

hier-naast. Het

product ui t de

top heeft een

temperatuur van - 4,60 C, terwijl'het bodem product schotel nr 1 2 3 4 5 6 7 8 reb. C heeft. x 0,993 0,962 0,756 0,205 0,080 0,060 0,045 0,026 0,026 R₁ R 2 L V mol/sec mol/sec 1,53

-

9,33 15,43 1,52

-

9,30 15,40 1,41

-

8,61 14,71. 1,11

-

6,78 12,88 0,82

-

5,00 11,10 0,82 5,00 11,10

-

0,073 157,74 10,74

-

0,095 160,96 13,96

-

0,145 168,32 21,32..,

w'

•

De eis van 10 ppm tetra in het topproduct is te streng voor

gra-fische methode van Ponchon-Savarit. Er bestaan wel rekenmethoden,

zoals o.a. de methode van Lewis-Matheson, waarmee, rekening houdend met deze eis, de kolom berekend kan worden, eventueel ook op de

au-tomaat, maar al deze methoden zijn gebaseerd op de aanname van

con-stante molenstromen in de kolom, en dus niet geschikt voor dit

p,ro-bIe em.

d} de kolomdiameter •.

Aangenomen is, dat de damp het grootste vo-lume van de kolom bezet. De grootste dampsnelheid zal in de bodem van de kolom optreden. Perry, lito (2), geeft voor de

J schotelafstand

1

!

(ft)

_..

. maximale dampsnelheid

v_max de volgende

betrek-king:

fig. 9

KV~

f

L

ë:

V • waar bi j v max uitgedrukt is in ft/seo .

.

Voor de schotelafs.tand is 18" en voor

rr

is 16 dyne/cm genomen;

KV is dan gelijk aan

0,135,

lito

(3),

zie ook fig.

9,

eveneens

ui t "perry";

ra

is geli jk aan de oppervlaktespanning in dyne/cm ..

Te berekenen valt, dat het soortelijk gewicht van tetradamp bij

1100 C en 3 bar gelijk is aan 14,7 kg/m3 en dat van chloordamp

6,9

kg/m

3•

Bij de onderste schotel is de molfractie van tetra in

de damp y gelijk aan 0,62 en die van chloor 0,38. Derhalve vindt

men een dichtheid voor de damp in zijn geheel:

e

V = 11, 7 kg/m 3 .

Na enig rekenwerk is op dezelfde wijze, rekening houdende met

een uitzettingscoëfficient van ca 0,001, een dichtheid voor de

vloeistof gevonden, gelijk aan:

t?L

=

1230 kg/m3.

Een en ander ingevuld levert op voor vmax :

..

_{Onder de 8}e _{schotel is de dampstroom ~V = 21.32 mol/sec. (}

zie 2 pagina' s terug). Bij 1100 C en 3 bar neemt deze stroom e'en

volume in van

-3 383 1 3/

21,32 x 22,4 x 10 x 273 x

3

=

0,223 m S o. t

Bij een v_{max van 0,41 m/sec. is het oppervlak} A van de kolom dus

ongeveer ~ 2 . A = ü,41 = 0,55 m , W~aruJ. t dan de diameter volgt: D

=

4 x 0,55

= ,

0 83 m. 1T' e) de reboiler.

In de: reboiler moet 21,32 mol/se'c vloeistof worden verdampt.

Uit het H-x-diagram (bijlage 8) volgt een~H hiervoor van

32.9

kJ/mol bij x = 0,026, zodat de toe te voeren hoeveelheid warmte~

gelijk is aan:

~reb.

=

21,32 x 32,9

=

701,428 kW •

...

Dit is iets meer ( ongeveer 3

%)

dan uit de enthalpiebalana over

"

de kolom blijkt; dit moet worden toegeschreven aan de

onvermïjde-lijke afleesfouten bij het werken met grafisohe voorstellingen,

Neemt men nu een temperatul~sverschil aan van 200 C tussen

de wand en de vloeistof, dan is bij een gegeven

warmteoverdracht8-coëffioient U = 500 W/m2

°c

het benodigde oppervlak A'als volgt

te berekenen:

t

opp. tetrabundel A = 701,428 x 103

500 x

20

=

Evenzo vindt men voor het oppervlak van de stoombundel, bij een

aanname van .een temperatu~sverschil van 400 C en een U

=

1000

W/m2 °C:

opp; stoombundel 701'628 _{1 00 x} x 10

₄₀

3 = 17,5 m 2 •

Bij 2 " pijpen van 1 m lengte geeft dit voor de stoomzijde voor de kolomzijde 440 pijpen.

De stoomtemperatuur moet gelijk zijn aan 1100+ 200+ 400

=

\

=

1700 C. De bijbehorende druk, zo blijkt uit een stoomtabel,'is

8 atm. De condensatiewarmte van deze stoom is 2011 kJ/kg, zodat

per sec. nodig is:

S?i_st = 701,428 x 103

•

..

6.· Berekening van de H

20 balans.

In

verband met corrosiegevaar is het gewenst om het

watergehal-te van alle stromen in het proces watergehal-te kennen. Kete~aar (lit. 13),

geeft het maximale watergehalte van chloor bij verschillende

tem-peraturen. Zie het verkorte schema in fig. 10 hieronder.

yJE

=

~"---'--I~' COND. z .. -2lor---~ I 1,36.10

1

I F _b I I B x I 3.725 mOlls I G I • 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - H x _fig.10 x x JE

Het inkomende gas heeft, na de voorkoeler, een watergehalte 'van

1,36 x 10- 2

%;

all~ verdere stromen in het proces (i~

bovenstaan-de ~iguur met hoofdletters aangegeven, het waterpercentage et

kleine letters) zijn in grootte al vastgelegd.

Een massabalans over de condensor geeft:

-2 JE

A.1,36.10 + D.y

=

B.x +. C.y

Volgens Ketelaar geldt steeds y*

=

4x, zodat

. -2

A.1,36.10 + D.y

=

B.x + 4C.x

Een analoge balans over de absorber levert op:

4C.x + G.b

=

4E.z + F.z

Een balans over het gehele proces geeft als resultaat:

-2

A.1,36.10

=

H.x + 4E.z ,(27)

en heeft nu 3 vergelijkingen met 4 onbekenden, zodat een 4e

ver-gelijking gezocht moet worden, b.v. tussen

x

,y

en z. Een aantal

balansen over verschillende schotels in de kolom levert dit ~e­

zochte verband op. De balans over de eerste schotel, zie fi . 11,

geeft de volgende vergelijking:

en met 1.

0 = I,

..

,

Voor de tweed~ schotel vindt men op dezelfde manier

,

\ L1

·x

₁ + V3·Y3

=

V2.Y2 + L2.X_{2 of} wel

L

1

r-.Y + V304x3 -= _4V2ox2 + _L2ox2

(28)

<I

Voor de derde schotel moet een aanname gedaan worden. De voeding

. van de kolom wordt_ ingevoerd tussen de vierde en de vij~de

scho-tel. De aanname is, dat de vloeistof op de vierde schotel het

zelf-de watergehalte bezit als de voeding.

Dus x

₄

=

z.

Zie fig.

12.

V₁ '" D! ILo

=

I .

G>

F L4,X₄

-j

tV5

G)

+

fi g 0 11 GJ F,

z:....~

____ J-.

L1

1 lv

2 _{fig. 12}

De balans om de derde schotel wordt dan:

v

₄.Y4 + _L2.x2

= v

3.Y3 + L3.x3 of wel (30)

4V4

·z

+ ₁₂

·x

₂

=

4V₃

·x

₃ + 1₃

·x

₃

Men neeft nu een stelsel van 6 lineaire vergelijkingen met

kenden, n.l. x, y, z, b, x₂ en x

3• Dit stelsel kan worden op elost

d.m.v. de orthogonale vectorenmethode, die een standaardprocedure

is van de Wiskundige Dienst van de

T

.

H.

te Delft. Er moet

daar-voor een coëfficientenmatrix worden samengesteld (zie bijlage 11).

De vergelijkingen zijn:

D.y - (B + 4C)x = - A.1,36.10- 2 (25) 4C.x + G.b - (4E + F)z = 0 (26) - H.x - 4E.z

= -

A.1,36.10- 2 (27) L I.x + _{4V2.x2 -} (D + 1/4}Y

=

0 (28) 1 1/4.Y +

4V

₃

.x

₃

_{- (4V 2}

+ _L2)x₂

=

0 (29) 4V₄oz + _{L2.x2 -} (4V₃ + L₃)x3

=

0 (30) De matrix wordt: -B - 40 D 0 _{0 0 0} 40 0 - 4E - F G _{0 0} - H- O _{-4E 0 0 0} I - D - L1/4 0 0 _4V2

~1/4

0 r 0 _{0 0 - 4V2 - L2} 4V 0 _{0 4V} 4 0 L2 4V3

-~3

0 "

•

"

•

.

'

..

.Als re sul t'aat worden de gegevens, vermeld in onderstaande tabel,

gevonden. Het toelaatbare watergehalte is ontleend aan lit. '1~.

Opgemerkt zij, dat in het voorraadvat het watergehalte,aan de ~ho­

ge kant is. , Waterpercentage Topproduct y x1 x? x':5 'x _~d. b

=

_x6 In voorraadvat x In afgas 4z Getalwaarde waterpercen-tage (mol ~) 2,99 X 10-2 0,75 ft 0,61

_"

0,68

_"

0,82

_"

0,62

_"

1,30

_"

3,28 11 tabel 5 waterbalans 1 ''-'l' (oC) Toelaatbaar waterzércen-tage mol

%

)

-

4,6 9,0 X 10-,2

-

4,6 2,3 ti

-

2,3 2,6

_"

, + 27,0 9,8 11 1 '>,-II~ + 78,0 30,0 11 + 110,0

-l.

-

12,0 1,6 x 10-(:!

-

8,0 8,0

_"

_, I ,l"'-"

~ Opgemerkt zij, dat hier met de iets nauwkeuriger waarde van

het waterpercentage ná de voorkoeler is gerekend (1,36 x'10-2

, 2

i.p.v 1,40 x 10- , zoals op pag. 6).

7.

Berekenin,g

van

de 002 balans.

. .

Explosiegevaar is aanwezig bij C1 2- H2- 02- en C1 2- H2-

N2-systemen. De explosiegebieden van deze systemen zijn in de

figu-ren 13, 14 en 15 getekend (zie pag. 33).(interne oomm. Ir Roes).

Het punt A komt overeen met de samenstelling van het gas,

vóór-dat het gecomprimeerd wordt. Het punt B geeft de samenstelling in

de condensor weer en C de dampsamenstelling van het afgas uit de

absorber. Het is te zien, dat het explosiegebied tijdens de

ao-sorptie gepasseerd wórdt; terwijl de dampsamenstelling van het

afgas al bijna explosief genoemd kan worden. Het is bekend, dat

..

-..

-•

fig. 13 fig. 15 0 2 ' - - - : . . . l I 01 2 fig.

14

Cl . 2

belang, dat het gedrag van _{CO 2} wordt nagegaan. Door eventueel

ex-tra CO

2 in te leiden kunnen de explosiegrenzen zodanig worden ver-schoven, dat een onder alle omstandigheden veilige installatie

wordt verkregen. Voor CO

2 zijn de kritieke gegevens: Pk

=

72,9 atm. Tk

=

304,20 K Voor _{Cl 2} Op de manier, dat bij T

=

-Pk

=

75,0 atm. Tk

=

417,20 K

zoals beschreven in hoofdstuk 5 kan worden berekend, o

12 C, YCO

=

8,2_{.xCO •}

2 2

Analoog als bij de berekening van het watergehalte in het proces kan door midqel van een aantal balansen en de bovengenoemde

pro-•

ces berekend worden. (zie fig. 10).

Een balans over het gehele proces geeft:

-2

A.O,9.10

=

B.x + 8E.z

Een balans over de condensor:

A.O,9.10- 2 + D.y

=

(B + 8C}x Voor de absorber geldt:

8C.x + G.b

=

(8E+ F)z

(31)

. Vergelijking (33) kan vereenvoudigd worden door aan te nemen, dat

door de hoge temperatuur in de bodem van de kolom alle cO

₂

de

ko-lom door de top verlaat; in dit geval is b

= 0

.

Invullen van de diverse getalwaarden in (31) t.e.m. (33) geeft na enig herleiden:

x

=

0,8 Y

=

3,4 z

= 0,3

mol

%

"

"

Het gas, dat de condensor verlaat, bevat 8 x 0,83 = 6,6 mol ~ 002

(5 %), het gas uit de absorber bevat 8 x 0,3

= 2,4

mol

%

(30 {)

Het CO₂ gehalte van het spuigas is dus .zeer laag. Toevoegen

van CO₂ zou een oplossing kunnen zijn om de gassamenstelling

bui-ten het explosiegebied te houden.

De percentages tussen haakjes g_{even het gehalte CO 2 aan}

een berekening, waarbij dit als inert is beschouwd •

..

0

Cl

2

---~~----3

1

_condensor

koe

lwater

0

T=O

C

0

T=21 C

5

com pressor

voorkoeler

2

10

opslag

6 afgas

absorber

7

9

8

kolom

7

a

BIJ LA GE

,

9

11

reboiler

stoom

11

PROCESSCHEMA

•

~g Tab c 11 e 9

i:s

",', ..,~ "''' :....~ 1S~ -....g. za :<P<' :: I , Temp, I °c - 70 - 65 -60 - 55 - 50 - 45 -'- 40 - 3 5 - 30 - 25 - 20 - 15 -'-10 - 5

°

" 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 , 'lIS 120 125 130 .. -135 ,140 "144 (krit)

•

Temp, Druck T P oK at abs 203,16 0,1543 208,16 0,2104 213,16 0,2823 218,16 0,3728 223,16 0,4856 I 228,16 0,6242 233,16 0,7925 238,16 0,9949 243,16 1,236 248,16 ~1,520 253,16 1,852 258,16 2,237 263,16 2,~80 268,16 3,186 273,16 , ' 3,762 278,16 4,412 283,16 5,142 288,16 5,958 293,16 6,864 298,16 7,868 303,16 8,973 308,16 10,19 313,16 11,52 318,16 12,97, 323,16 14,55 328,16 16,26 333,16 18,11 338,16 20,11 343,16 22,27 348,16 24,58 353,16 27,07 358,16 29,73 ' 363,16 32,58 368,16, 35,64 373,16 38,89 378,16 42,37 383,16 ' 46,07 388,16 50,ü2 393,16 54,23 398,16 58,70 403,16 63,47 408,16 68,55 413,16 73,93 417,16 78,53 Spez, Volumen der FIÜSSi9k'j des Dampfes

dP/dT v' v" kg/m2 oK l/kg l/kg 98,40 0,6042 1563 127,0 0,6088 1174 161,3 0,6135 894,4 202,1 0,6184 691,6 250,1 0,6233 541,8 305,6 0,6284 429,7 369,3 0,6336 '344,9 441,6 0,6390 279,6 523,1 0,6445 229,0 614,2 0,6502 I 189,2 715,2 0,6560 157,7 826,3 0,6620 132,5 948,0 0,6682 112,1 1080,3 0,6746 95,51 1223,6 0,6812 81,89 1377,8 0,6880 70,64 1543,3 0,6951 61,26 1720,2 0,7024 53,40 1908,3 0,7100 46,77 2108,4 I 0,7179 41,14 2319,4 0,7261 36,35 2542,8 0,7346 32,22 2779,0 0,7435 28,66 3027,0 0,75:29 25,57 I 3288,0 0,7627 I 22,88 3561,4 0,7729 20,52 3849,,1 0,7837 18,44 4150,4 0,7951 16,60 4467,1 0,8073 14,97 4799,1 0,8201 13,51 5147,3 0,8339 12,20 5513,1 0,8487 11,01 5898,1 0,8646 9,944 6302,3 0,8820 ,8,970 672/,8 0,9010 8,082 7176,7 0,9221 7,265' 7653,7 0,9456 6,508 8149,8 0,9725 5,814 8680,3 1,0039 5,169 9240,6 1,0415 4,570 9837,3 1,0890 4,001 10472 1,15,41 3,453 11140 1,2624 2,842 11718 1,7631 1.763 •

Dampftafel für Chlor Bijlage 4

Wichte , Enthalpie Entropie

der F1ÜSSigk'j des Dampfes Vcrd,-Wärmc der F1?SSi9 k'j des D~,mpfes_ der F,lüSSigk,j des Dampfes

'V' ril r riT ' J J Si S"

kg/! I kg/m3 _kcal/kg kcal/kg oK kcal/kg kcal/kg kcal/kg oK

I

kcal/kg oK

1,6552 0,6398 73,30

I

0,3608 83,86 157,16 0,9320 1,2928 1,6426 ' ,0,8519 72,67 0,3491 85,01 157,68 0,9376 1,2867 1,6300 _, l,118 72,03 0,3379 86,15 158,18 0,9430 1,2809 1,6172 1,4,46 71,40 0,3273 87,28 158,68 0,9482 1,2755 1,6043 _I 1,845 70,76 0,3171

I

88,41 159,17 0,9534 1,2705 1,5913 I 2,327 70,11 0,3073 '89,55 159,66 0,9584 1,2657 1,5782 I 2,900 69,44 0,2978 90,69 160,13 0,9634 1,2612 1,5649 3,577, 68,75 0,2889 91,85 160,60 0,9683 1,2569 1,5518 4,367 68,06 ' 0,2799 93,00 161,06, 0,9730 1,2529 1,5380 5,286 67,35 0,2714 94,16 161,51 0,9778 1,2491 1,5244 6,342 66,60 0,2631 95,35 161,95 0,9824 1,2455 1,5105 7,549 65,89 0,2552 96,49 162,38 0,9870 1,2421 1,4965 8,922 65,14 0,2475 97,66 162,80 0,9914 1,2389 1,4824 10,47 64,38 0,2401 98,83 163,21 0,9957 1,2358 1,4680 12,21 63,60 0,2328 100.00 163,60 1,0000 1,2328 1,4534 14,16 62,82 0,2258 101,16 163,98 1,0042 1,2300 1,4387 16,32 62,02 0,2190 102,33 164,35 1,0083 1,2273 1,4237 18,73 61,21 0,2124 103,49 164,70 1,0123 1,2247 1,4085 21,38 60,38 ' 0,2060 104,66 165,04 1,0162 1,2222 I 1,3930 24,31 59,54

I

' 0,1997 105,83 165,37 1,0202 1,2199 1,3773 27,51 58,69 0,1936 106,98 165,67 1,0240 1,2176 1,3613 31,04 57,82 0,1876 108,14 165,96 1,0278 1,2153 1,3450 34,89 56,92 0,1818 109,31 166,23 1,0314 1,2131 1,3283 39,11 56,00 0,1760 110,48 166,48 1,0350 1,2110 " 1,3112 I 43,71 55,06 0,1704 111,65 166,71 1,0385 1,2089 1,2938 48,74 54,08 0,1648 112,83 166,91 1,0421 1,2069 1,2760 54,24 53,04 ,0,1592 114,05 167,09 1,0457 1,2049 1,2577 60,24 51,98 0,1537 115,26 167,24 1,0492 1,2029 1,2388 66,82 50,85 0,1482 116,50 167,35 1,0527 1,2009 1,2193 ,74,05 49,66 0,1426 117,77 167,43 1,0563 1,1989 1,1991 82,00 48,39 0,1370 119,08 167,47 1,0599 1,1969 1,1783 90,79 47,00 0,1312 "120,47 167,47 1,0636 1,1948 1,1566 100,6 45,57 0,1255 - 121,87 167,44 1,0668 1.1923 1,\338 111,5 43,97 0,1194 123,40 167,37 1,0708 1,1902 1,1099 123,/ I 42,24 0,1132 125,00 167,24 1,0749 1,1881 1,0845 137,7 40,34 0,1067 126,68 167,02 1,0792 1,1859 ' 1,0575 153,7 38,25 0,0998 128,47 166,72 1,0837 1,1835 l,0283 172,0 35,89 0,0925 130,43 166,32 1,0885 1,1810 0,9962 193,5 33,34 0,0848 132,47 165,81 1,0936 1,1784 0,9602 218,4 30,40 0,0764 134,78

I

165,18 1,0993 1,1757 0,9183 249,9 27,06 0,0671 137,36 164,42 1,1053 1,1724 0,8665 289,6 23,0 0,0564 140,2 163,2 1,1122 1,1686 0,7921 351,9 17,0 0,0412 ,144,2 161,2 1,1210 1,1622 0,5672 567,2

°

°

153,41 153,41 1,1432 1,1432 , ~

•

•

at abs 10 9 8 7 6 5 4 3 ~

...

.., ::, cS 2 190 Enthalpie i

Bild 6. Mollier-J, 19 p-Diagramm für Chlor. .

Die. Entropie des . siedenden Chlors bei' 0 °C ist hierbei s~o :=.1,00 gesetzt; somit ergibt sichs"o =s'o + _rolTo =

. = 1,23 383 kcallkg°K.

Die Entropie des flüssigen Chlo'rs längs der linken Grenz. kurve wird

s' = s" ....:, riT .. ': [30]. Mit Gl. [29] und [30] läBt sich die Entropie des flüssigen

Chlors s' und des trocken gesättigt(!n Chlordampfes. sn bis

234

125°C berechnen. Zur Berechnung der entsprechenden Werte

bis zum kritischen Punkt wird wieder der Weg über die

spezi-fische Wärme c'" beschritten. Es ist

s' =

f

c'x d~/T + const. " . [3.1]. Durch Einsetzen der Gl. [26] in diese Beziehung erhält man eine bis zum kritischen Punkt gültige Gleichung für s':

. î+V~~ ,

•

•

•

•

•

I

..

or

..

I . I ... 1 . 'begi.n' Iprocedur.e i 7lt.ll;. 'cod,e'; 'i nte gel" I mi • i r e a.L I p k l. tk 1 , pk 2, tk 2, e ~ • V'l , e ~ , v ~ , r , y I , Y 2, ~. b J , b z , ai ? , Z 1 ,2: z ,

gamma ~ , gamma 2, P i, Pl , P 2, ):, ft', fa ct ,kl, k 2 , ent hal, ent hl.

entha2,enthz,aa,bb,cç,dd,e~,ff,hn~,hng,hn~~,hngz;

readClfi,p k l,tkl,pk2,tkz,pi,el_vl,ez,v2,t,r); 'begilli

. *array' drulq,templ,drukz,tempz,enl,entl[l:m],

sig,sigffia,s,si,cl,ez[o:2J,C~,C4[O:2];

read(drukl,drukz,templ,teffip 2,enl,entl,aa,bb,cç,d~.ee.ft,

hnL,hng,hnLz,hngz);

nUl(templ,drukl,m.2,sig,Cl);

nUl(temp2,druk2,m~2,sigma,ez);

print,("coefficienten drukl - temperatuur."); print(cl); nLcr(z);

print(.' 'coefficienten print(c2); nLcr(z);

nUl(templ_enl,mi2,8,C3);

druk 2

nu 1 ( temp 'l , ent) , m; ~ , s .;i.. C 4 ) ;

temperatuur.l _{' ) ;}

print~.ii. coefficienten enthal.pie-vLoeistof 11 •••.• );

print(c3);

p rint.(.-· coefficienten entha Lpie~çjamp !1 •• 1,' ) ;

print(co4); nl.cr(z);

alz:=«Sqrt(el/Vl)-sqrt(ez/vz)). ipowel"'- z);

~. b 1 : =r- tk 1/( 8. pk 1) ;

_ .. ,/ / I:> z:=r.tk 2/{ 8.pk 2);

print(" X _yl Y z

temperatuur enthalpie damp entha Lpie vLoeist .. ' :)

. 'for' X::;::O. 'step' o. Ol àunti.L' 1.~O. 'd.o'

'begi~' zl:=x.bl/(x*bl+(l-X).~Z); ~Z:=tl-X).DZ/(x*bl+(1-X).b2); opnieuw: kLaar: . 'end'; . • end I; 'en.ci ' ; gammal:=exp(a12*bl~l2~12/(r.t)); gamma2:=exp(alz.bze_{Zl*Zl/(r-t));} Pl:=Cl[OJ+ClLlJ*t+Cl[Z]-t.t; pz:=cz[0]+CZ[lJ*t+e2[2]-t*t; kl;=gammal*pl/pi; kz:=gammaz*pz/pi; yl :=k I-Xi y Z : =k z- ( I-X) ; enthal:=c3Lo]+C3Ll].t+C3[Z]-t-t+hnL; ~nthl:=c4[0]+C4[lJ.t+C4Ez].t.t+hng; entha2 :=ee-( t-z 7 3.16 )+0. 5-ff-(t-'l7 3 .'16 ).( t-:;n 3.:1'6 )+hnl2; enthz:=aa-t+o.5·bb-t~t+cc-t-t-t/3+0~zs.dd-t.t-t.t+hngz;

. 'i:f' abs (y 1 +y 2-1), I Les.s· 10-₆. i the.n I ,

. 'go tol kLaa.ri ft:=Yl+YZ-1i

fa.ct:=x.(-kl~alz.b1.~2~zz/(r.t~t)-p1/pi +gamrr.al/pi-(CIL 1 ]+Z*Cl[ zJ-t) )+(l-x)-(-k z*a1. z*bZ.Z[ltl zl/(r.t.t)-pz/pi+gamma2/pi.(C2L~J+2.e2[zJ-t);­ t: =t-ft/f act i . 'go t.o' opnieuw; print(x,Yl.YZ.(t-~73.16),CY1*enthl+yz.enthz),(x­ enthal+(1-x)*entha2));

.

P.rog.ramma be.rekening H-x diagram enz. 01

..

•

'

.

., • = 0 6 , U=100, r=3,

evenwichtsgegevens chLoor-tetra,

• 25, : 74.SS6_IDS,417.11,44.14S_{IDS,SS6.36;2.943 ID}S, :17 8 1 4, 5 0.6 4 ~ ~ 2 9 9 8 ~ , Ol 0 3 • 9 , ~, 3 ,5 0 , 8. 2 9 , 1.491ID5~1.8i7IDS~2.1J4ID5~2.'290s,3.125ID5, 3. 6 9 110 5 ; 4 • , 2 8 ID 5 , 5 .0 4 4₁₀5 , 5 • 8 4 5₁₀5 ,6 =. 7 3 4₁₀5 , 7~719ID,,8.803ID5,9.996~5,11.301~5.12.'20~5, 14ii74~5,15.951ID5,t7.766IDS,19~'28ID5i21.8~7IDS, • 24.113ID5~26.5S6ID5i29.165IDS,31.961ID5,34.961~S.· 1.936ID3,3it~7ID3,4i~10ID3,6.067ID3~7~74S~3, 9.681~3,10.843ID3,12.~79~3,13.682~3,14.'28~3, 16.135~3,18.020~3i~0.Q~7~3i21.944~3i23.~79~" - 25.~28~3ii7~lt2ID3i28.6S5~3i29.946ID3,'2ii70~3, 39.886~3,t6.666ID3~79~~Z9~~,98.100~3,ll.5S9~3. • 2 4 ~; 2 5/3 i 2 5 8 ; 2 6 3 ~ 2 6 ~ , ·~73ii7~;283i288i29~, • 29 ~, 3 03,3 0 ~, 3 13,3 1 ~, "523,S28,333,33P, 34 3, 13 4 ~ , 3 53 , 3 5 a , 36 3 , 3 6 a, • 26Pi268~i73;2api28~, • 2 8 9 ; 2 9 Z; 2 9 6; 2' 7 ; 2 9 _~ , 30P,303, 30 5, 30 a,309, 312,'23,314,315,317, '23,333,343,350.293, -1733.8,-1380.5,-10~2.1,-694.7,-3~7.~, i ,.344.4,691.8,1036.1,1383.5, ~730.9;2~'2.3;2416.7;i764.0,3111.4, 34 5 8. 8, 3 8 09 • 1 , 41 7 1 • 3. 4 53 O. 5 , 4 89 8;. 7 , -~75;'7,5664i7,6~q7.3,649Z.9,69~7.~, 1 ~ 2 6 2, 1 839 2, 1 SS 1 ? , 1 864 5, l:a 7 '6'p , 188~?,18995,19105,19209,)931p, 19 ... 0 8, 1 9 4'3 7 .. 1,9 5 83 ,1.9 66 3,}-1) 73 7 • 19806,198',,1991~,19963.~9J~p. ·~0019i20031i~0031~2001,~~4000, Bijlage 10 · ZI. ~ H 7.908₁₀-2,-6.966_10- H ;28. S3 4₁₀- ' . 1;2 4:e 49.~ 7 3.11 210 .... ; . l'201.1'~OI~26"7.5~351;

"

"

t'

I

I ..

•

I" ==a2. 'beg

in'

l.ab: fab: 'end' ; Bijlage 11

'procedure' nU15; 'code'; 'reaL' a,b,cc,d,e

j

f,g,h,i,Ll,V2,LZ,V3,L3,V4; 'array' C(1:6,1:7 ,bek(1:6j; , . read(a,b,cc,d,e,f,g,h,i,Ll,v2,l.2,v3,L3,V4) ; print(" x ' y b X2 X3 at); C[1,3]:=C[1,4]:=C[I,5]:=C[1,6]:=C[2,l]:=C[2,5]:= c( Z, 6] : =c( 3,2] : =c( 3,4] : =c[ 3, s] : =c( 3,6]: =c( 4, 3]: = C(4,4]:=C(4,6]:=C(S,1]:=C[S,3]:=C[S,4]:=C[6,À]:= C(6,2]:=C(6,4J:=C(2,7J:=C(4,7J:=C[5,7]:=C(6,1]:=0; C(1~7]:=C[3~7]:=-a-l.36~-2; C(1,lJ:=-b-4-CC; c[ 1,2] : =d ; c(z,,] :=4-CC; C(2,3]:=-f-4-e; C(2,4J:=g; C [ 3, 1] : =- h ; C[3.3]:=-4-e; ,c( 4,1] : =i; C[4,2J:=-d-o.zs-Ll; C [ 4 , 5] : =+4 -V 2 ; c[s,zJ:=+0.25-Ll; C[S.SJ:=-4-V2-~2; c[s, 6] :=4 -V3; ' . C[6,3]:=4-V4; C [ 6 , 5] : =L z ; C(6,6]:=-4-V3-L3; nUls(c,bek,6,Lab); , pr int (b e k) ; • go t o' fa b ;

print (' I 'matrix singul:.ier ");

PI" int ( ,. kl.aar");

Programma H

20-balans