Bereiding van ureum

i "

FABRIEKSSCHEMA

Breiding van ureum

R. de Roos

-- - - _ ._ - ' -- -•

I. Inleiding.

Toen in 1828 Wöhler ureum bereidde door indampen van een waterige oplossing van kaliumcyanaat en ammoniumsulfaat behoorde deze stof tot een der eersten, die twijfel deed rijzen aan de hypothese van de "vis vitalis", destijds noodzakelijk verondersteld bij de vor-ming van organische verbindingen.

Thans wordt in de chemische industrie in toenemende hoe-veelheden ureum geproduceerd, dat voornamelijk toepassing vindt in kunstmeststoff n en kunstharsen, terwijl het een tussenproduct kan zijn bij de fabricage van plakmiddelen, finishes voor leder, textiel en papier, en voor de fabricage van onkruidverdelgers.

Ur eum is te bereiden volgens:

(litt.

1)

(litt. 2) NZH₄

+

CO ~ a) HZN,C = 0 HzN/ HZN, HZN, b) 2NH3 + COS ~ C

=

0 ~ C

=

0 + HZS 1 /

(in MeOH opl.) H_4N-S HZN HZN,

c) NaCNO + NH3 + COZ + HZO - C = 0 + NaHC03

/

(in waterige op1.) HzN

(litt. 3)

d) Verreweg de belangrijkste methode is die, uitgaande van COZ en NH3, voor welke methode de basis is gelegd door Basaroff in 1870

(litt. 4):

2NH3 + = 0 ...ll- -zN,C = /

HzN

o

+ HzO

Frank-I i! i 1\ I I:; i!

,.

"

--, I ILlllE ROllS I I I J \ ..., _.1 EJEtTELRS .r-! . i

j

-

_.

"'~-.

-lt

VEROAM"ER ll- _. 1 I _ I .;

IlEAEIDlHll VAN IEUM UIT~ ENc~

SCHAAL

,.zo

...

-CONDENSOR

(

-r

~

--

~

tol

1

I

~

I' 1_' - . ~i I ,- - '

~

I

'

I ::::::::::; I

".

:~

J

I

:

.

:

r

f

'I_I . 9' - - - 'I, =- = . .--""- ,.

1

•_.·_....Ji_....á~~.· - - ' ~

r

-'u'

I

-I

RE8~N

Ir

~

MET ~

\~

I :OLI ESEPARATOR ---I r L"fF~A~, I .,~ ! L. I' LI , Wil _ I.

,

-1-4

~

-

~

,.

"

1

11

L

-

..

'"

,I

~

~

-

~

j '''''''''' J L • t'_+

l

_

~

r

-.1. _IQf--' 1 i -__ot BOILER 1C I • ::t 1_ - -1- I

.

,

X ,.

,

[ _{-+ ~.1} N- _ . . ...

-

-

"

'1

~

I I '11

I

I~, I JL --- -Il REACTOR _ _ .__

I

~

_,

~

_~

-

-

"j;J

_:

-

,

:

~ ;::, ~, N ..--~\ 0UI'WlK ç-~WCHTVEIlHlTTER

~

!!I!!I!!

1~

;UUUUUUUUUL!i4

Al

,,

~

.

( \ i /"

'

;.

--.J

'

...

•

URM

~

I ONTSPANKAMER

'

I

~

~

l

~

I ~. ~ , I

.y

l

l ' \

c-

-

-

~

~'

_ _• - I

~"

h'

~

! ~

,

~

-- ]:

~

,.

~

"

I - .• , 't'.__ ' I

~(

"

: "

I

---=-

-=

--

,

I . . , , - , - ;

~

-»

'

T

"'~

J, '

I

-

,

,--

r

-

SUSPEIIlElR

r

-=:t

-=-

_

-

--'

I

l

i

:'

il

,

-'

~

~.

:

I , I

:ï

-;-~!

11

~rn"

_ _'

L

! ' ' ,

L

\

I

-=-

=--.J

r

~

l'

:

~

--

I i

I

i

~

~:ii

I

r

:;

i ;if.-r r

.

;

~

'

.•f,'". ;1.

f

.'i'.-.J

i

.

" ....

)

rf

.-J

.

=-

r

., : \', : i\

1

I

,r:r-=

~IEKOELER

"

- - ,- - .:

~

-

" , ' x> '.1 , .. ! - T I II IlU'RRTANK 4 --- - - IC> I I [}---

,

.

-2-rijk en Duitsland, later, in 1919, neemt ook Amerika daaraan deel. De

productie op bescheiden technische schaal wordt voor het eerst in

Duitsland uitgevoerd in 1924 (litt. 5), terwijl in 1932, na uitgebreide experimentele voorbereidingen Amerika op grote schaal ureum begint te produceren.

Reactieomstandigheden.

Voor een economisch verantwoorde productie van ureum op grote

schaal leent zich alleen de reactie:

2NH3

+

°

_{+ HZO}

..

De ~te_{\ I} vormingswarmte van ammoniumcarbaminaat uit COz en

NH3 is de reden, dat in de litteratuur vele uitvoeringsvormen

beschre-ven zijn. De waterafsplitsing verloopt bij hogere druk (150 - 170 atm) en hogere temperatuur (130 - 200°0).

Bij een verhouding NH3 : _{CO 2} = 2 : 1 en een temperatuur van

1500 _{is de omzetting 30 - 40%. Een overmaat NH3 doet de ureumopbrengst}

stijgen, bv. een 10-voudige overmaat bij dezelfde temperatuur geeft

een omzetting van 95%. (litt. 6, 7, 8 en 9). NH3 zou volgens litt. 9 een

dehydraterende werking uitoefenen. Litt. 10 beveelt dan ook aan PzOs als waterbindend middel toe te voegen. Bij gebruik van ureum als kunstmest-stof behoeft P20S niet verwijderd te worden.

Overzicht van de processen.

V

Er is momenteel een 7-tal mogelijke bereidingsmethoden van

ureum bekend, waarvan er 5 werkelijk toegepast worden, t.w.

1) once through pr oces]

) verouderd

2 hot gas recycle

3) solution recycle

4) Pechiney (oil slurry recycle)

5) Inventa 6) Chemico

-,.

In litt. 11 en 12 wordt een vergelijkend overzicht gegeven, waarvan een en ander in tabel I en 11 samengevat is.

TABEL I - - -- ---- - --- ---- -- -- -technische gegevens

1

---

-- --- - ---

--, COz

I

mol. verhouding _{/ NH3} I druk in atm. I I temperatuur in °C ! conversie carb.1Ureum

%

grondstof ton NH3/ton ureum grondstof ton COZ/ton ureum

j ,

,

once hot gas solution Pechiney Inventa Chemico i Montecatini

through recycle recycle

!",,"/

.'

\

"'v-}

'

1

1/ ' 1/ _{1/ 5 1/ 2 I 1/z-3 1/ 6 1/ 3} 2-3 ~ 2

v

_~~A"'W ./ 120-200 !_I 120-130 _54él 160-200 200 170 160-170 :160-200 i 160-170 200-210 . ₁₈₀ I 180 175-180 160-180 80-60 40-45 70 50 50 76 68.5 0, 58 0,58 0,58 0,58 0,83 0, 7 5 0,75 0,75 0,77 0,89 solution I recycle TABEL 11 I_I Ieconomische gegevens

1

---

---_·_

---....

I

energie $/ t on ureum jwa t e r $/ t on ureum

I

stoom

~

/ton

ureum

i

onderhoud

~

/ton

ureum

iafschrijving en belasting $/ t on ureum

$

1000/

investering . ton ureum/dag

!economis ch e productie ton ureum/dag .

; --- - --- --- -- -- - - --- -l

I

Pechiney ! Inventa Chemico Montecatini

2,80 1,30 3,64 1,62 1,39 0,50 0,75 0,73 0,33 0,20 2,50 2,00 2,16 1,80 1,20 6,06 2,00 3,81 4,00 2,41 16,00 13,00 10,90 9,20 7,34 20-40 15-25 30-40 12-30 21 100 100 150 150 50-100

AUTOCLAAF NH c AUTOC.LA"F ~'RF.:Url oPL. -J UI· I_-.,...,,PL -.~ AUTocL.AAF A _Hp o5TRIPI'E1\ _ _ __ ..J uRE..UMoPL .

-4-Het once through process (fig. 1) en het gas recycle process (fig. 2) zullen buiten beschouwing blijven. Over de overige 5 processen enige opmerkingen:

a) Solution recycle process. (zie fig. 3)

De niet omgezette gassen worden in water geabsorbeerd en in de reactor teruggevoerd. Het water doet de opbrengst wel dalen,

-:doch de grote overmaat NH3 en de hoge temperatuur en druk werken

weer gunstig op de opbrengst. De corrosie in de reactor is zo groot, dat zelfs zilver wordt aangetast.

b) Pechiney-proces. (zie grote tekening)

Kenmerkend is hier, dat in de autoclaaf olie gevoerd wordt,

waarin de reactieproducten gesuspendeerd worden. De olie veroorzaakt

door zijn lager soortelijk gewicht (vergeleken bij dat der gezam

-lijke reactieproducten) een roer nde werking, dus een betere warmte-overdracht, terwijl de olie een film langs de reactorwand vormt, waardoor corrosie sterk verminderd wordt. Een loden binnenbekleding kan gebruikt worden.

c) Inventa-proces. (zie fig.

4)

\ De vorige processen pasten recirculatie van carbaminaat to •

Bij het Inventa-proces worden NH3 en C02 van de ureumoplossing ge-scheiden en alleen NH3 selectief geabsorbeerd in een ureumnitraat-oplossing, waaruit NH3 wordt teruggewonnen en gerecirculeerd.

De bekleding van de reactor geschiedt met een alliage, waarvan de samenstelling niet bekend gemaakt is.

d) Chemico proces. (zie fig. 5)

De zeer grote NH3 overmaat is oorzaak van de hoge

omzet-ting. Behalve NH3 wordt hier ook CO₂ gerecirculeerd (na geabsorbeerd

'{..t:.V«'>',-'A ...

.

...

·IJ

..

---<--

:

Î , r · .\ ~~ '.,Áy ._~ r: ;>, ... ., .~ ~. ...".' ~ IV". '- .., .::~-t ,( ' ,, ~t. I' .A.

-

... 1 \ ... v")t.""'-,>\.. ;')'ol-'1- I 0.-'\ P > , ./ .' - _I .1 rJ'

.

.,' -. 'j ., - 'oJ ...)

~~t

'

~

.~\ 4 ..c..,t" .u...r ~\ l -). r ' ..t..t"" \ ~..../'..<., - fr',','.A " l j -i , ~ ,t \ 1/'.'".',..\' /' : -r~ \\1>c, (~.l-.:U .~t""' \\ 1J{j>.~ : ." ....n.. r '.-<- •' 9 ~J(" ••\ \ ~\.. ... " - - ", ,.- \ r ~',w

\Jut

~.c. \' IA~, vlt.i~ '-\ Vt-k .'... . "'-"-I.' I·f.."'\....{-c- -...

.:.

\

J 0( <1J''''- ....I

.

_~ J. I "'- r \.J ... ,'A"

.

<-I" _.~ _{.t.r\~ f} ... .,'..../

-

...-~t,_c, " ~'- : '1'" \ \'.J...- ,).... '... f '.1 cl· ..e... '01 ' " V."

....

.

.

~ ... .l , ~l.. I...., r.:. l <') c' '>L- :.:, , . '•., , ' , Á ,.. 1 -1"" .... _ '_4-{. :,... \. ,. ... I f , 1 " • I' " :1" .." ol~f)J, ' .'7 .''!' ...

..,

~ Pure Ammonia FO, Liquificonon And Recycle Ammonia Free COz (Recycle)

_,

~SIG Steam Coonnq Water Pump (Liqu .d ) Ammonia Pump C02

•

Gas cen Compressor

~

, . , ' ~~~ ~''''' 'V''.I 4"_'sa_r..R'~ T'

'

Q t>

Fig. 4 To StoraÇle

•

Air Dryer Ir Cent n tu çe ntrator

ureo Gr'Jnulotor Flg.5

h

ê.vccorot o.. ur e c Dryer Conden ser COz 5tr:pp f'r COz ~bso rber Ureo Co o

le-I

Synthet,c

~

r

~o

~

, Ure0 Synt he s's ~utrcl c~t' Hi9h Pressure Piston Pu mp ~ H'g h r-reSSl:re P:sto n P....rT'D

!AA

_I

Sulfur 0..ygen

O'CZJ

0",,,,,,.1

Go seovscc"

;tT

~

I ~ ,

-5-NH3 dient nu tevens als een midd 1 voor goed

warmt-overdracht in de reactor.

e) Mont eca t ini proces. (zie fig. 6)

Het gasmengsel uit de ontspankamer wordt weer behandeld met een ureum nitraatoplossing, waarin het NH3 selectief geabsorbeerd wordt.

Door de partiële vleeistof recirculatie zou de corrosie dusdanig verminderd zijn, dat de reactor van gewoon roestvrij staal geconstrueerd zou kunnen worden.

Keuze van het proces.

Gedacht werd aan een fabriek voor een, naar Amerikaanse

toni (

maatstaven, matige productie van ureum: 100 dag. een fabriek

van Dupont in Bell, West Virginia,produceert 410 ton/dag) Voor e n

economische productie komen het solution recycle- en het Pechiney proces in aanmerking. Uit tabel 11 blijkt nu, dat het Pechiney proc s voordeliger is dan het solution recycle proces. Bovendien heeft het Pechiney proces boven alle andere, het voordeel dat de olie:

a. in de reactor voor een roerende werking zorgt waardoor de r

actie-tijd kleiner genomen kan worden (20 min)

b. door de roerende werking een betere

temperatuurverdeli~

de

re-actor tot stand brengt en dus koeling in de wand kan geschieden c. de temperatuurdaling gedeeltelijk opvangt, die optreedt bij de

ontleding van carbaminaat in de ontspankamer

d. door filmvorming aan de wand van de reactor de corrosi beperkt

houdt.

Als de temperatuur niet hoger gekozen wordt dan 170°0 kan

een loden binnenbekleding toegepast worden. Mocht voor een d rgelijke

productie in Nederland en Europa een afzetgebied gevonden kunnen

NH~ S ":o ND. vlb NH CAF\ B. ST R IP p r~ FIG.6 FIG 7 FIG8

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

-

-6-Limburg, waar de Staatsmijnen NH3 en 002 produceren (echter ook ureum) •

I

) ,

Beschrijving van het Pechiney proces.

Vloeibaar NH3 wordt uit een NH3-voorraadtank door en

---- -~- _. .

-pomp geco~primeerd en in de reactor geperst.

CO 2 dient, voor het behoud van de loden binnenbekleding van de reactor van S en 02 gezuiverd te worden. Bij het schema werd uitgegaan van reeds gezuiverd BO z•

Het opstellen van het schema geschiedde n.a.v. beschrij-vingen van het Pechiney proces in litt. 13, 14 n 15.

Na de reactie in de reactor (reactietijd 20 min. P =

160 atm , T = 170°) komt het reactiemengsel in de ontspankamer

(2 atm, SOOO), waar een gedeelte van het carbaminaat ontleedt onder warmte-opname.

Om

te voorkomen, dat de temperatuur beneden SOOO komt, waarbij geen carbaminaat meer ontleedt, is de ontspankamer met een boiler uitgerust.

Het boven uit de ontspankamer ontwijkend 002 + NH3 wordt in een suspendeur ontspannen tot 1 atm en af~ekoeld tot 60°0,

waar-~oor weer carbaminaat~ontstaat. Komt de temperatuur boven

65°0

dan zou zich geen carbaminaat vormen bij 1 atm. Er moet dus gekoeld wor-den.

De uit de ontspankamer vloei nde suspensie van ureum, water, olie en OOz + NH3 komt dan in e n separator. Boven uit de separator vloeit'de olie af, die, na koelen tot 20°0, wordt teruggevoerd in een olietank.

Via buffertank 1, een filter voor verwijdering van ijz r,

"

en but~ertank 2 vloeit de oplossing naar een verdamper, waarin de

oplossing bij 20 mm kwik en 60°0 wordt ingedampt tot een 95f~ureum oplossing. Boven 70°0 ontleedt ureum in water, zodat de temperatuur niet zo hoog mag komen. (op 60°0 gehandhaafd)

De 95%-ureum oplossing vloeit nu in buffertank

3,

waaruit de oplossing naar een droogkamer gepompt wordt. Hier wordt 100 ton droge ureum per dag geleverd.

-7-D uit de verdamper ontwijkende damp bestaat uit HZOJCOZ en NH3. In de condensor ontstaat hieruit (NH4)2C03. Na de condensor

komt een s~eidingsvat, waaruit de oplossing van (NH4)ZC03 vloeit

naar een inrichting voor het regen reren van NH3 met kalk. De NH3

wordt na koelen en comprimeren weer in de voorraadtank teruggevoerd.

11. De apparatuur.

Materiaalbalans •

Het schema is gebaseerd op een productie van 100 ton ureum

per dag. Mol.gew. 2 x 17 .... 44 Hoev.(ton) 57

+

73 ~ 78 ~.. 130

---

---

- ..-60 100 t-18 30

Volgens litt. 13 is de omzettingsgraad van carb. - ureum

50%, dus voor 10ü ton ureum is 2 x 1~0 ton carb. nodig.

130 ton carb. wordt niet omgezet.

In de ontspankamer verdampt 15 ton water per dag.

1. De reactor. a M teriaal balans: invoer/24~r 118 ton carb. 15 ton water 130 ton olie

62,5 ton NH3 dus 142 ton carb/ 24 ~r

79,3 ton COZ in de reactor gevormd

275 ton totaal afvoer/ 24 r 100 ton ureum 130 ton carb. s.g. 1,3 45 ton water 130 ton olie 6.g. 0,9 275 ton totaal.

/ - - - ~~---, -8-b Grootte autoclaaf : 12 x 24 d_us inh_{o .}ud • 100_1,3+_x45₃ +_x 130₂₄ + _{0,9 x}130_{12 x 24}

=

3,44 m3 Reactietijd : 20min

=

_{1/ 3} hr of

Verblijftijd olie (geschat):

5

min

=

1 3 x 24 1 dag dag dus: h

=

4 m D

=

1 m

c Snelheid van het reactiemengsel:

m3 1 doorvoer; 3,44

/hr

=

3440

/hr

(1

m ~

78,5

dm2 ) 1/ 3 x 3600 x 78,5 x v

=

3440 of v

=

0,0366 àm/sec 4 mm/s ec d St er k t eber ek ening 2 cm (in de teke-ning 4 cm) cal/kg Cal/mol cal/kg.

min.dikte van het deksel:

(zie fig.7)

wanddikte (zie fig. 8)

e Warmtebalans

Hiervoor de volgende gegevens: k

soort. warmte: olie 0,5

carb.36,4

ureum. 0,32 k

vlakke plaat formule:

~

=

c.

(!.)2 C~l (f r cr-

=

40 _kg/mm2 voor een goede staalsoort 160 (~)2 4000

=

50 I of S

=

10 cm (in de tekening

40

cm) ketelformule: ~ -.! t - r 160 s 4000

=

50

of S

=

-9-539 kcal/kg 300 kcal/kg 35 kcal/kg +

38,

0

~cal/mol

kc al/ 7,9 mol. carb. ureum kc al/ water 9,732 mol = NH3 CO₂ vorm. w. verdamp.w. :

~rijgekomen warmte (reactiew~te carb.)

142.000 ~8 05 2.886.200 kCal/_hr

24 x 78 x J ' =

Opgenomen warmte

carb. van 20

Q

tot 170°C opwarmen:

~:2~0~~

x 150 x 36,4 = •••••••••••••••••••••• 413.500 kCal/br

~~8~0~~

x 150 x 36,4 = •••••••••••••••••••••• 343.600 kCal/hr water van 20° tot 170°C

••••••••.••••••••••••• 403.000 kCal/hr , 152~00 x 150 x 1 =

olie van 20° tot 170°C 130.000_{24 x ,}0

5

_x 150 ₌ verdampingswarmten:

·..

...

.

...

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

94.000 kcal/hr NH3 : CO_{2 :} 62.500 x 300 = 24 79.300 ~5

=

24 x J

·

...

..

..

..

..

.

...

.

...

.

.

·.

...

...

.

.

....

.

...

.

.

718.200 kcal/br li5.700 kcal/br reactiewarmte ureum: 100.000 24 x 60 x 7,9 x 1000 = · . . . .• 550.000 kCal/br Totaal 2.70L.000 kCal/hr

Tot aal effect dus: 2.886.200 - 2.701.000 = + 185.200 kcal/hr

Door straling zouden we slechts ca 10%warmte afvoeren nl. Q

=

U.A••t.= 10 x 12.56 x 150

=

18.880 kCal/hr.

D~ koelen volgens een modern systeem, waarbij halve pijpen spi-raalsgewijze op de reactorwand gelast worden (zie tekening)

- - - -I I -Q

=

185.200 6t1_.m.

=

134

u

=

600 A - 185.200 = 2.3 m2 - 600xl34 -10-11

Bij 11/2 buis is het oppervlak van 1 winding: 0,04 x 3,14

=

0,1256 m2 2,3

dus: 0,1256

=

20 windingen. Steek 60

mm,

h

=

60

x

20

=

1200

mm.

2. Ontsp~rmet boiler.

a Materiaal balans: invoer/ 24 hr 100 t ureum

'"

_{130 t carb.} 45 t water 130 t olie b Warmtebalans Opgenomen warmte boven 118 t.(C02 + NH3) 15 t.water afvoer/ 24 hr onder 100 t. ureum 30 t water 130 t olie 6 t NH3 6 t CO₂ ontleding carb. - C02 + 2NH3 : 11~40~07~00 x 38,05 = •••••••••••••••••• 2.395.000 kcal/hr verdampw. water: 15.000 24 x 539 =

...

totaal 331.485 kcal/hr 6 00 kcal/hr 2.72 • 0 Vrijkomende warmte

-11-130.000

24 x 78 x 90 x 36,4 =

afkoeling olie 1700 _tot

130.000 90 0 5

=

24 X x .

.

.

.

.

..

..

...

..

...

80° :

.

.

..

....

..

..

.

.

.

...

.

227.500 keàl/hr 244.000 keal/hr totaal 760.500 keal/hr kcal Dus bijwarmen: 2.726.000 - 760.500 = 1.965.500 hr

=

473 ft2 (C02 : NH3

=

1 : 2) 3 542 m /hr 3 m3 3979 m /hr gas of 1,1 /see 3

=

2885 m /hr 3 552 m /hr

=

=

CO 2 118.000 x 353 1 22,4 3x24x44 273 - x2 NH3 _3x24xl72xl18.000_{x 273}

lli

- x1₂ 22,4 H20 15.000_{18x24 x}

ill

₂₇₃ - x1₂ 22,4 totaal d_us A -_- 1.965.000 - 44 7_{44xl03 - , m}2 ft2 buis 1" inw.

f6 •••••••

0,2745 /ft. lengte buizen 5 ft, dus opp. 1,3725 ft2• A tal b ·an u~zen.. 1,3725473 = 344 b .u~zen.

Bepaling v.d. snelheid v.d. gassen:

Q

=

1.965.000

U

=

1100

t1t

lm

=

40

1,4m/see

(1,5m/see is nog toelaatbaar) De ontspankamer heeft een diam. van 1 m, dus een doorsnede van 0,785 m2 •

Snelheid v.d. gassen dus:

~:~85

=

2

Olieseparator. invoer/ 24 hr afvoer/ 24 hr onder: 142 t. oplossing (s.g.1,3) 100 t. ureum 6 t NH3 6 t C02 30 t H₂₀ 130 t olië boven: 130 t. olie (s.g.0,9)

-12-Berekening v.d. grootte: 130 t / 24 hr- 130.000 1 olie: _{- 0,9x24x3600}

₌

1,25 Isec oplossing: 142 t/ 24 hr= 142.000 1,27 l/s ec 1,3x24x3600

=

Totaal Verblijftijd 10 min (geschat).

Inhoud separator 600 x 2,52

=

1512 1 diameter 1 m hoogte 2 m 1 2,52 Isec Q

=

U x A x l1t

=

4.200 kcal/hr

V rwarming tegen verlies door straling en convectie.

bui ten opp. separator: "TT"x 1 x 2 = 6, 28m2 •

U

=

10 A

=

7

m2 l1t

=

60° Verwarmingsspiraal: Q = _{4.200 kcal/hr} U

=

700 l1t

=

40 4.200 2 2 A = 28.000 = 0,15 m = 15 dm

"

11/2 buis, dus 0,1256 m2 uitwisselings opp. 15

aantal windingen 12,56 = 2.

4.

Oliekoeler.

Te koelen: 130 ton olie per 24 hr. van 80° naar 25°C. dus afvoeren: 130.000 x 0,5 x 55

=

135.420 kcal

_{/ hr}

24 l1t = 21 U

=

600 A

=

135.420

=

10,75 m2 of 116 ft 2 25 x 1 aantal buizen 1

I

2" = 5416 = 22 250

-13-ft Z 22 x 0,163

=

3,6 /ft. 8 passes/ft bundel: 8 x 3,6

=

28,8 ft2 116 lengte v.d. buizen: 28,8

=

4 ft = 1220

8 x 22 buizen

=

176 buizen van 1/_{2 "} diameter separator: 350 mm

lengte separator: 130 mm

mm

2..

Filter.

capaciteit 45001/ hr

Seitz trommelfilter, 11 platen •

.§.. Verdamper.

invoer/₂₄ hr : 142 ton oplossing met s.g. 1,3

nl. 100 ton ureum 30 ton water

6 ton NH3

6 ton COZ

We willen een 96% ureum oplossing aftappen.

Bij de productie van 100 ton ureum per dag is dus 100 ton ureum en x ton water, waarin x te vinden is uit:

100

100+x = 0,95 of x

=

5 ton

dus afvoer/

24 hr : damp 25 ton water 6 ton NH3 6 ton COz vloeistoflOO t>n ureum

~ ton wat r

Warmtebalans.

- - - -- - -

--

-14-lee om (NH4)zC03 uit een oplossing te verdampen als NH3, COz, HzO.

2e. om NH3 uit een waterige oplossing te verdampen als gasv. NH3. 3e. om water te verdampen.

(CO z niet, daar NH3 in overmaat aanwezig is).

Aan de Int. Crit. Tables zijn de volgende gegevens ontleend: vormw. (NH4)ZC03 (waterige opl.) uit elementen: 223,4 kcal/mol

11 NH3 (gas) " " 10,94" 11 COZ (gas) " " 94,39" 11 HzO (gas) " " 57,83"

Reactie:

(NH4)ZC03 (opl.) ~ (2NH3) + _{(CO z)} + (lizO) - Q kcal.

g g g

Q = 223,4 - 2 x 10,94 - 94,39 - 57,83 = 49,3 kcal/mol. Ale damp wordt afgevoerd:

25 ton HZO = 25000₁₈ = 1390 mol/ 24 hr 6 ton NH3 _{= 1 7}6000 = 353 mol/ 24 hr

6 ton COz _=44"6000 = 136 mol/ 24 hr

Dit wordt nu als een waterige oplossing van NB3 en (NH4)ZC03

be-schouwd. of wel:

136 mol (NH4)ZC03/24 hr

=

5,66 mol/hr 353 - (2xl36) = 81 mol/ 24 hr= _{3,38 mol/hr}

1390 - 136

=

1254 mOl/ 24 hr = 52,2 mol/hr

We moeten dus verdampen: liZO NH3 (NH_{4 )}zO)3 : 52.200 x 18 = 939 kg/hr 3.380 x 17 = 57,5 kg/hr 5.660 x 9,6= 54,3 kg/hr Benodigde warmte voor verdamping:

499000 keal/hr 28,8 11

..

-15-939 x 523

=

3,38 x 8,5

=

5,66 x 49,3

=

279

_"

Totaal 499.307,8 keal/hr of ca. 499.310 keal/hr

Q = 499.310

U = 1000

6t == 20°C.

A =

4~6:6~g

= 24,465 m2 = 251,3 ft2•

1/ 2" buis gebruiken .•.•••• 0,163 ftZ/ f t

buizen 5 ft lang, opp. per buis : 0,815 ft2

t 1 b . 251,3 aan a ~zen: 0,815 = 322. Dampsnelheden: HzO 25000 333 20 m3 vol. _{24x18 x 273 760} x 22,4

=

41,3 Ihr 6000 333 20 m3 vol. C02 _{24x44 x 273 760 x 22,4}

=

3,96 Ihr vol. Nfl3 6000_{24x17 x} 2,33₂₇₃ 20₇₆₀ x 22,4

=

15,5 _{m Ihr}3 m3 1 totaal60, 7 /hr of 17 Isee 1 dm,

hL _

17 Isee snelheid 10 see, dus diam. _{3,14 -} 150 mmo

1

34 Isee

_"

ft

"

"

2,,4

3,14 - 210 mm.

7. Condensor.

De verdampingswarmte uit de verdwnper moet hier weer

af-gevoerd worden. De temperatuur wordt 60°0 gehouden.

Q = 499.310 keal/ hr

U = 700

-16-499.310 2 2

A

=

21.000

=

23,8 m

=

253 ft

499.310 kg water/

Benodigd koelwater: 25xl

=

19.950 hr

1" buis gebruiken, dus 0,2745 ft2/ f t per buis 600 kg koe1water/

hr, dus 19

6660

=

33 buizen

8 Suspend ure In oer/ 24 hr :

-11-118 ton COZ+NH3{of carb.) 15 ton HZO

130 ton olie

Mvoer/ 24 hr : idem.

Verblijftijd 10 min

Olie: 130.000_24x6 = 900k

yJ

10 min 1000 1_{1 10 min}

Carb.: 118.000 _{=825 kg, 10 min 825}

_1/

10 min 24x6 HZO • _1:5.000 -104 kg/10 min ₁₀₄ JL/min • 24.x6 Warmt balans. Vrijkomende warmt : o 0 carb , van 80 ;; 60 C: 338.000 kcal/hr cond. wamt _•• 118.000 24x78 • 20 x 36,4

=

45.900 kcal/hr 15,.000 x 20 x 1

=

12.500 kcal/hr 24

152~00

x 539 vorming carb uit CO Z+NH3 :

(zie ontspankamer)

Totaal..

2.395.000 kCal/hr 2.791.400 kcal/hr Opgenomen warmt:

olie van 200~ 600C: 130.000 x 0,5 x 40 108.000 kcal/hr

24

Met koeling dus opnemen: 2.791.400-108.000

=

2.683.400 kcal/hr

Q

=

2.683.600 kcal/hr At

=

370

U

=

600

A

=

22!~~;fg~

= 123

M

2

=

1310 ft2

1"/5/."

buis 0,2745 ft

2

/ t t 2

opp. per buis van 8 ft lengte 2,1960 ft

1l.1.Q

6

aantal buiz n 2,1960

=

00

B rek ning van de grootte:

In totaal moet de suspendeur 1950 1 suspensie kunnen be atten.

e buizen voor het koelsyst ea n men chter ook e n groot volume

-18-Buis inwendig 1" , uitw ndig 5/4 ", opp. uitwendig 0,0094 ft

600 buiz n, dus 600xO,0094

=

5,64 ft 2

8 ft lang, dus gez elijke inhoud: 8x5,64 =45,12 ft'=

1,280 m'

Volumen vloeistof+buizen dus 1950.1280 = 3230 1

W will n de suspendeur voor ongeveer 2/3 gevuld hebben, daarom kiezen we de afmetingen

1 2400

mm •

~

=

1750 mm.

~. Suspeneiekoeler

D suspensie oet gekoeld worden van 60° tot 20° C.

Koelwat r opwarmen van t5° tot 40°C

carb.

11~;~~0

a 36,4 x 40 = 91.800 kcal/hr 15.000 40 1 24

x

x

~ 25.000 kcal/hr olie _{130.000 x 0,5 x}

₄₀

₌ 24 Totaal 108.300 kcaJ./hr 225.100 kcal/hr = Q

u

=

600 6t = 10,820 225.100 2 2 A

=

6.492

=

34,7 m

=

372,2 ft • 5/4" buiz n ••••••••• a,2745 ft2/ft 2

11 buizen, 12 paes s 38,4 ft /ft bundel, dus 12x11 = 132

buizen.

. 372,2

Afmetingen' . 38,4 =3.000 mm lang

~ = 500

mm.

lQ Uitvoerige berekening van de droogkamer

Bij proeven is gebleken, dat ureum ontleedt bij een

tempe-o

ratuur boven 65

c.

In de droogkam r ie daarom een

lucht-te peratuur aangehouden van 60°C (1400~ )

!.

MateriaaJ.baJ.ans.

Invoer/24 hr••••••••• 100 ton ureum. 5 ton HZO.

o

-~

-

19We stellen de relatieve vochtigheid (R.V.) 70% m t bijb

-horend vochtgehalte van 0,01 kg water/kg droge ~ucht.(uit

drooggrafieken)

Opwarm n tot 60°0: 8% R.V., Vochtgehalte id •

(drooggrafieken in litt. 16) Vochtopnam

Na vochtopname een geschatte R.V. van 60~. De lucht koelt

dan af volg ns een adiabatische afko lingslijn tot 34°0.

Het vochtgehalt is dan 0,02 kgvocht/kg droge lucht.

1kg lucht kan dus opnemen uit de ureumoplossing: 0,02 - 0,01 = 0,01 kg water.

Totaal op t nemen water

50~~ ~

209 kg/hr.

Dus nodig:

~061=20800

kg/hr

, °

Uitgedrukt bij 20 0 en 70% R.V. :

20800.( 20800xO,01:)= 21 010 ktg buitenlucht.

Spec. vol. lucht van 20°0 en 70% R.V. 0,84 '/kg droge

~ucht.

Invoer buitenlucht dus 20800xO, 84= 17.500 m3/hr

Na pass ren van de voorwarme. komt in de droogkamer

(spec. vol. lucht 60°0

i%

R.V. 0,96 m3/kg droge lucht)

20800xO,96 = 20.000 m3/hr.

Uitlaatlucht (spec. vol. lucht 34°0 60% R.V. = 0,90

m~/kg

droge lucht.

Volumen

u1tlaat~ucht

20800xO,90 =18.700 m3

/ hr

B. Warmtebalans.

11. Buit nlucht 20°0 70%R.V. dus 0,01 kg HzO/kg droog, s.w.

0,243 kcal/oe kg droog.

Warmt inhoud: 20800xO~243x20= 101.000 kcal.

2. Lucht van 60°c 8% R.V., 0,01 kg HZO/kg droog, s.w.=

0,243 kgcal/o_C k d

g roog.

Warmteinhoud: 20800xO,243x60 = 303.000 kcal.

In d _{voorwarmer dus toevoeren: 303.000- 101.000 =202.000}

° kcal/hr.

3.Lucht 34 0

, R.V. 60%~ 0,02 kg HzO/kg droog, s.w. 0,248

kcal/o

-20-Warmteinhoud: 20800xO,248x34

=

175.500 kcal.

Onder ideale omstandighed n (geen verli zen) zijn dus nodig

om alle HzO uit ureum te verdampen:

303.000-175.000

=

127.500 kcal/hr.

Contrê1e:

Om 208 kg/hr HZO te verdampen is nodig: 208x530

=

111.000 kcal/hr.

Dit is een redelijke overeenstemming. (16% fout).

c,

Berekening van d afmetingen van de droogkamer.

We h bben de hoeveelh id lucht nu vastgelegd. Voor de bepaling VClT'l

ie grootte van de droogkamer zijn we aangewezen op de berek ning van 3 groo~

heden:

t. de luchtsnelheid in de kamer. (te variëren met de ~ van

de kam r-)

2. de deeltjesgrootte (te variëren met het type sproei r, welke keuze weer afhankelijk is v.d. luchtsn lh.)

3.

de droogtijd (afhankelijk van de deeltjesgrootte en de

luchtsnelheid)

Het zijn dus alle van elkaar afhankelijke grootheden. We zijn bij

de berekening dus aangewezen op een "trial and error~-methode.

Bij de bepaling van de droogtijd zouden we eigenlijk de periode

van constante droging n de periode van afnemende droogsnelheid

moe-ten beschouwen. Daar van het systeem ureum-water geen gegevens b tref-fende de droging en de diffusie bekend zijn, is bij de berekening al-leen de periode van constante droging b schouwd.

Daar tijdens de periode van afnemende droogsnelheid het water steeds

l~gzamer verdampt (door gedeeltelijk droogvallen van de oppervlakte van h t te drogen deeltje), is de tijd gedurende welke het deeltje valt langer genomen dan de benodigde droogtijd.

Een tegenstroomprincipe is gebruikt.

De procedure bij de berekening was als volgt:

a. e n kam rdiamet r werd aangenomen en de bijbehorende luchtsnel-heid werd uitgerekend.

b. de valsnelheid van een deeltje met aangenomen diameter t.o.v. de lucht, daarna t.o.v. de wand w rd berekend.

c , daar nu Re bekend is kan men Nu b pal n, waaruit dan de droogtijd te b rekenen is.

litt. 16

-21-ad a. Een diamet r van :3.000 mm werd aangenomen.

inlaat 20.000 m3

/ hr

(60G

e,

8% R.V.) uitlaat 18.700 m:3/hr (34°0, 60%R.V.) dus inlaatsnelheid: 4x20.000 =0,875 m/sec 3600x x9 uitlaatsnelheid: 4x18.700

=

0,735 m/sec. 3600x x9

ad b. en deeltj esgrootte van 140}-l- is aangenomen. E stil.staand·

conische sproeier kan dan gebruikt worden bij een overdruk van60 psi.

Een lagere druk ge ft een grotere spreiding in de deelt jes-grootte. D= 1

40

~

= 14x10- 5 m flucht600

=

1,2095_;g/m3

₁

?lucht600

=

_{2,4x10 .}

J

v = 0,8 m/sec. 5 Re -_- 112095xO,8~14x10-_2,4x10·

_{= •}

6

Hier geldt de wet van Stokes niet meer.Voor de bepaling van de snelh id van het deel.tje gebruiken we de formul

Gewichtd ltje= Kg

=

0y.1/4 D2.1/2 v2

waarin 0 (bij Re

=

6) ca 3,4 is.

w:3 -15

~X1~10 x1,347 =3,4x1/4x X142x10-8x1/2x1,2095xv2

waaruit volgt v

=

90 cm/sec t.o.v.ÏUcht of 10 cm/sec t.o.v.

de wand.

(nauwkeurige uit komst v

=

89,6x1iO-2 mis c )

ad c. De t mperatuur van het deel.tje wordt bepaald dp~r de

warmte-afvoer door verdampend water. Het deeltje zal dus de

natte-bol.-temperatuur aannem n, zijnde 2800 (drooggrafiek)

Voor het getal. van Nussel.t kunn n we nu opschrijven:

Bij R

=

6 kunnen we ~­

vullen ( zie dictaat Prof. Kramers)

-22-e

=

0,3 n = 0,5

H t getal van Prandtl is te vinden in litt. 17 : Pr = ;. Na invullen in (1) vinden we:

geldt:

oc.D

Nu =

;,0;

of;r-=

;,0;,

waaruit ~ te berekenen is

18 en 19 is gegeven:

À

=

0,65 J/m2 sec

oe

In

litt.

D = 140x10-6m

«

= 14100

J/m

2eee °C.

Volgens de analogie van Nusselt

14100

=

4,18x10-3x1,2095xO,954

=

ex of k = c • Cl . (Le)2/3 p J 2

=2,94 mIeee. na invullen van:

ex. = 14.100 -3 e = 4,18x10 ••••••11ttl 17 en 20 p

F

~/32095

(Le) = 0,954.

Eln deeltje bevat 5% _{H 2}0 bij een s.g. van 1,347, dus

..

k

P r sec v rdampt uit het deeltje ~m

=

k.0.8C = ~.àp

De tijd nodig om het water uit het deeltje te verdampen

Om geheel zeker te zijn, dat he~

deeltje na zijn val volkomen droog is, laten we het

;1

zo l.ang vall.en, dus ;6 sec. De hoogtie van de kamer ~ordt

dan 3,60 '. .J' I (.( ( We hebben nu : A

"'""fiii

is dan: A t

=

r

=

m k

=

2,94

o

=

4 R2

=

4 x4900x10-12 t1p =

(19,~-4,;?

; R

=

8,3x10 o

T

=

333

K.

0,05xrrX14;X10-5X1t34Jf~,3X10;X;~3

_ 12 6x2, 94x4xiT"x4900:x1 0- :x1 5, 5xt 0 - sec. t .•....

I

I

-23-Gevaar voor ontleding van ureum treedt pas op bij 6500' zodat de langere contacttijd bij 60°Cgeen verliezen kan geven.

E n nauwkeurig bepaling van de afmetingen van de

droog-droogkamer zou voorafgegaan moeten worden door een reeks proeven, waarbij de droogtijden voor constante en afnemend droogsnelheid gemeten worden.

Een and re r den om de hoogte van de droogkam r wat groter te nemen is gelegen in de storingen, die kunnen optreden:

wegens botsingen van druppeltjes en deeltjes onderling en met de wand.

::

2°. door spreiding in de deeltjesgrootte. Bij 60 psi.

over--druk v&6r de sproeier·wordt de spreiding weliswaar tot

ca.

2%

teruggebracht, doch dit kan al en merkbare

in-vloed doen g lden.

3°.

de luchtstroom is n1 t geheel gelijkmatig, doch zal aan

de wand zekere effecteh verton n , zoals kl Lne

.:

Litt ratuurliJ.!b.

J

l'

2) patent Fr. 966.073 E.Kouzmine sept. 1950" U.S. 2.681.930 R.A.Franz juni 1954

3) n

u.s.

2.694.728 L.L.Lento R.A.Vingee nov 1954

4) L.Basaroff,J. prakt. Chemie

1,

283, (1870)

5)J.M.Ellis, Trans.AM. Inst.Chem. Eng.

,ga,

1,6, (1930)

6) patent D.P.541.228 l.G. (1930)

7) "

u.s.

2.087.980 Lawrence (1937)

8) n U,S.2.116.881 DeRopp (1938)

9) " U.S.S.R. 77.930 G.M. Strongin (dec.1949)

10) " D.P.548. 435 I.G~ (1932)

11 )W.H. Tonn jr.Chem. Eng. 62, n~ 10, 186-190 (1955)

12) L.H. Cook,Chem. Eng. PRogr.

2Q,

327-331, (1954)

~~- 13) M. Fr'j acquea, Ch1mie et Industrie, 60, 22, (1948)

14) U.S. 2.498.538 M.Fr&.jacques, (1950"

15) A.Rooseboom, Chem. Eng.

2§,

n~ 3, 111-114,(1951)

16) J.H. P rry Chemical Engineer's Handbook, New York (1950)

17) V.D.I. Wärmeatlas

18) Mc A' ,Heat Transmission 3rd ed. (1954)

19) M.P.Wukalowitsch, Thermodynamische Eigenschaft n des

Wassers und des Wassersdampfea, (1954)

20)

U

Handbook of Chemistry and Physics, 31s ted.(1949)