Verslag fabrieksontwerp zwavel uit zwavelwaterstof

\; ;-1 'r ./-, ).1 I I ' i~

..

.~< i~-'"",. o·I. \'! ( I I r , , I. \ ..•. ,.' \ 1 ... ~"

.

' ' . J , .

.

, ..i,. .... ... :'" .~ '/1'\: ,J . \ I • h ji. ,< Y'" :

..

, ~, '. '" -J.~ ',' , .,;. * I '. I ~ ~; ~ I

...

\ ,\~ '. , i: / \

.

....

'.

, ~,.~"l~ . ' .

.

' . I""

.

\

,.

I I '1'.1 ": ,

,

/ *~ .,'

.

" ',',' •

1 .1\ I ~ (; U :J

1 Inleidinc 1

a I :;)e al)s 0 rI' tie vaD Z-,8VE 1 '.'ia t el' stof

,

omz et t i ni" z'.:3.vel " 3 t crs to f in z'.<lvel bi "le va:}

111 .Jf- '\>erciclir2C v1:.ü1 z"'cvel t7it z'.'8velvJaterstof

De ver~randinzscvcn 6 :)c h.'eer:l c r P8.C tor 10

ue

restgas3en 11 1::'-: ') l'rcl te bél1a n S f n 16 ~)e dagproductie 27 Insewonnen ~e~(VCn3 27

Pla3tsin~ van ~e in:t311atics 27

'.Le cebrlliken fll8terialen

Li teTa tnlir j1

DE WINN ING VAN ZWAVEL U I T Z W A VEL W A TER S TOF

I) Inleidigg

Terwijl er voor ~ereldoorlog 11 een overproductie aan zwavel was , ontstond er tijdens en na de oorlog een ernstig tekort aan deze zo belangrijke grondstof . Nu er weer een evenwicht is ontstaan tussen vraag en aanbod op sterk verhoogd prijsniveau, wordt het winnen van zwavel ui t zwavelvmterstof bevattende gassen aan-trekkelijk. In Amerika worden op deze wijze grote hoe-veelheden zwavel uit aardgassen gewonnen, waarbij te-gelijkertijd dit gas bruikbaar gemaakt wordt voor huis-branddoeleinden. In Europa worden voor de winning van zwavel o.a. kraakgassen van raffinaderijen als bron van zwavelwaterstof gebruikt.

~et H2S uit deze gassen wordt eerst aan een organische base gebonden en hieruit weer vrijgemaakt door verwar-ming. Het zo verkregen zwavelwaterstofgas wordt in

zwavel omgezet volgens een methode, die gebaseerd is , ,

Ir)

.\ , ;

Bespreking van de mogelijke methoden

) Wvt?

,{<"\)o-<1'/

a De abs0!E_~ie_.!.§.!! zwavelwaterstof

---,

( De\droge methoden komen niet in aanmerking, omdat

: de gebonden zwavelwaterstof niet meer als zodanig kan

\..

worden teruggewonnen.

Bij de natte methoden wordt de zwavelwaterstof geb

on-den aan een alkalische oplossing. Hiervoor kan men

verschillende oplossingen gebruiken, zoals alifatische

aminen, natriumfenolaten, natriumcarbonaat,

lmliumtri-fosfaat, etc. Zo maakt het Girbotol-proces gebruik van

oplossin

g~

~

~

.. van aethanola::ninel. Di t proces wordt het

meest toegepast • .. ant ondanks de hoge prijs van de

ruminen, is dit proces toch het meest economische door

het naar verhouding lage stoomverbruik bij het

uitdrij-ven van de zwavelwaterstof uit de oplossing. bovendien

wordt een gaszuivering bereikt, die te vergeliJken is met het droge ijzeroxide-proces, n.l. een negatieve

loodacetaattest.

(1

)

.

b) De omzetti~ van zwavelwaterstof in zwavel

Het

~1§~~.::Ch~!!.2e-Er~~.

\2..).

Zwavelwaterstof wordt in een met ijzeroxide gevulde

oven met overmaat lucht verbrand. De temperatuur wordt zo laag gehouden, dat de vorming van zwaveldioxide

zo veel mogelijk wordt voorkomen. De reactie:

verloopt namelijk bij lager~temperatuur, dan de reactie

In dit proces zijn wijzigingen aangebl"acht door de l.G. Farbenindustrie A.G., n.l. een derde deel van de zwavelwaterstof wordt met lucht volledig tot zwavel-dioxide verbrand en s~nen met het resterende tweederde deel over een katalysator geleid . De katalysator

bevor-7 _{dert de reactie: 2H 2}

o

+

_{30 2} ~ _{2H 20}

+

3S .

\'\..t'l\:.(J~'

Dit gewijzigde Claus-proces

geeft~

ogere

opbrengsten dan het oorspronkelijke proces , daar bij het laatst

111)

I

genoemde de vorming van zwaveldioxide toch niet geheel

J

\ kan worden voorkomen.

De ber~idin.fL.!an zwavel uit zwavelwaterstof volgens het verbeterde Claus-Chance-proces

(2).

Grondstof

Als grondstof dient een gas , dat afkomstig is van

het gaszuiveringsbedrijf van een katalytische

kraak-installatie. Dit gas bevat 6-7 vol% zwavelwaterstof, enige procenten kooldioxide en voor de rest methaan en aethaan.

De winning van zwavelwaterstof uit het ruwe gas

Om economische redenen is voor de winning van

zwavel-waterstof uit het ruwe Jas het Girbotol-proces gekozen.

Het ruwe gas komt het bedrijf binnen onder een druk van 20 ata en een temperatuur van 250_{C. (Zie}

principe-schets op pagina 4).

Als absorptiemiddel wordt diaethanolamine (DEA) gebruikt.

1'-50

~M.

• 2.'S1.

Wjb

GEZLLlvep\o &A~

...

-

--

·--··~---

l

/~ 1 i

uJ,o~

a~OC .. 11 lOO·C 1.4i°C.

ft--I

~~

"hw

$A6

. _

-.10 Rl R , 1So,. ~~bo~k

'''1

NOt.

~ H..t~.

G

1

I I I I I I

/f

I

""'.~i

I

I

;~~

I

I

poe

I

I

186CttOTElS .2.0 ATA

I

!

LJ

,

A&!:IoP.PTIE. ~OLOI'1

,

'"

2~()C "'" _"'" 11.'

,~4it/tOft

Of'L. ~ATA

AlA

I ",,'" 51100 IM.

G

t

I I ! I Y

i

L

I 3~'III\L 3ATA

11

D6~T1LLflTIa_ 140LOH 01 t

'1'

_Wjlv..

,/

..

_

... . . . _.

1~'ATFl

I

I

Moe ;

l

_' ! _' l... _~

j.

_oeR

~rr~

_I,b II l\.!> ~ ~ i CO:, 0.1, 11 ---+--'

I~~~C. ~-

--

-M-

--

!>toON 5~TA, IU·C

4L~~

._---- . lQFtTA 4

~tla.~/1:.ott

OPL.

G

I R BOT OL _ PROCE.5.

Ib81~~JM.

[

8O·/oH.I.~

-

--J.I,.b'f.oW" 5,0'fA, t1,.O",

"

'Y?lATR

3O'C

I

"a.O

%.1~~

fI:>.

- - - -') ,. ti ( I _{\ I} ~ \' _{,_} . ,"ol C' .... ")

Het absorberend vermogen van dit amine is groter dan

dat van triaethanola~ine, doch kleiner dan dat van

monoaethanolamine • J .. _onoaethanolamine echter, vormt

met koolstofoxysulfide, dat steeds in kraakgassen

voor-komt, diaethanolureum. Dit product is zo stabiel, dat

het door verwarming niet gemakkelijk wordt ontleed.

Om deze reden word t het hier niet gebruikt .

(1)

De verse waterige oplossing van DEA bevat 13 gewichts%

vrije base. ha absorptie van zwavelwaterstof moet de

oplossing nog minstens 3 gewichts~ vrije base bevatten.

De absorptiekolom bevat 18 schotels en werkt onder een

druk van 20 ata. De DEA-oplossing wordt bij 250C. op

de bovenste plaat ingevoerd. Voor een dagproductie

_---

_{_}

_

.

....---van 100 ton zwavel moet ongeveer :)40 ton DEA-oplossing

per uur circuleren\)Deze hoeveelheid is zo groot, dat

de oplossing, die de kolom aan de onderzijde verlaat,

door de ontwikkelde absorptiewarmte nauwelijks in

tem-peratuur stijgt. De II2S-rijke oplossing (1,'3,5 kg.l12)/ton)

';lord t, nadat de druk in een turbine tot 4 a ta is t

erugge-bracht, in warmtewisselaar I met de uit de stripper

stromende DEA-oplossing tot 850C. opgewarmd en boven

in de stripper gevoerd. De aan de ketel van deze kolom

toegevoerde hoeveelheid warmte is zo berekend, dat boven

(rh.'/'.'

in de kolom een temperatuur van 1000C. heerst. Bij deze

!'\Jt.( ... .lf"~'0. " temperatuur wordt het H2S voor ongeveer i?O %'uitgedreven,

i I

lC'L\.'Ce.,{ terwijl de dampspanning van DEA nog gering is.

Het uit deze kolom ontwijkende gas wordt afgekoeld tot

- - - ~ ~-~ - - - --- - -

-350C. en daarna ontspannen tot l~ ata. Het hierbij

gecondenseerde water en DEA wordt teruggevoerd naar

de bovenzijde van de stripper. De in de stripper van

1-I_2S bevrijde DEA-oplossing (4 kg. l-i2:3/ton) wordt in

de warmtewisselaars I en 11 afgekoeld tot

25

0C. en

opnieuw in de absorptiekolom gevoerd.

Behalve het H2S wordt door de DEA-oplossing ook een

groot deel van het in het ruwe gas aanwezige CO

2

gebon-den. Dit komt tegelijk met het H S in de stripper vrij.

2

De hier beschreven installatie levert een gas af, dat

78,9 vol% H₂S bevat. '.' ti·.! '{

L~

Ci

t01..0~'-l

(,,11&

~~--2~~etti!:!g va!!2~~~elwaterstof in zwavel volgens

het verbeterd e ::::laus-::::hance-proc es

(~).

Algemene reactievergelijking 4H 23

+

2.30,) tJ ~ 6S

+

4H20

+

6H:;<]

+

7)0₂ ~ _6S

+

_6H20 De verbranding~Q~en

Het gas uit _{het H2S-winningsbedrijf} komt de

zwavelfa-briek binnen met een druk van

l~

ata en een temperatuur

van 30oC. Om het gas te ontdoen van overtollig water

wordt het eerst door een afscheider geleid. Het gas wordt nu in een oven met een berekende hoeveelheid

lucht bij geringe overdruk verbrand. Deze hoeveelheid

lucht is zo groot , dat alle in het gas aanwezige

kool-waterstoffen volledig verbranden en het _H2S voor het

derde gedeelte. ~oals in hoofdstuk 11 reeds werd

bespro-ken, zijn bij de verbranding van _H2S twee reacties

mo-gelijk,n.l. de reactie

bij lage temperatuur verloopt en de reactie

-die bij hoge temperatuur verloopt. Daar de temperatuur in de verbrandingsoven 1200oC. is, vindt practisch alleen de laatste reactie plaats. In werkelijkheid is het

reactiemechanisme in de oven niet zo eenvoudig. Onder-zoekingen aan·de verbrandingsgassen van een

"pilot-plant" hebben uitgewezen, dat deze gassen een aanzien-lijke hoeveelheiq COS bevatten. Van de reactie

H₂S

+

_{CO 2} ---- GOS

+

H20 kan thermodynamisch ber ekend

worden, dat het evenwicht bij de heersende

oventempera-tuur sterk naar links ligt. De vorming van COS onder deze omstandigheden kan niet worden verklaard.

De theoretische vlamtemperatuur is

±

1380 o C. Om te hoge ovenwandtemperaturen te voorkomen zijn langs de wand waterpijpen aangebracht. De vlamtemperatuur wordt op deze wijze tot 1200 oC. verlaagd . ~et in de buizen verwarmde water wordt als ketelvoedingwater voor de stoomketel gebruikt. (6ie voor berekening pagina

2.1

)

•

De verbrandingsgassen worden door de vlampijpen van de stoomketel geleid, om ze tot 400oC. af te koelen. In

een gas-gaswarmtewisselaar wordt de temperatuur van o

de ~assen verder teruggebr3cht tot ~OO C.

\ C

..; ,,-,'f'

r - " t -, ~. \ . I ! ' , "

f

J i

't

t \,' \ , {t \ '4 \ l. L \\ J \ I ~. ( ';' ~ , I I I , , i I

\

_\

\

,

~

-'---~~~

L

~

-

T

-De rearities, die in de r~actor plaats hebben, zijn de volgende:

cos

+

H20 ---. _{H 2S} + ~02

De katalysator, die bij deze reacties gebruikt wordt, is geictiveerd bauxiet met een hoog ijzergehalte. Het

bed, dat bestaat uit stukjes bauxiet met een gemiddelde

diameter van 2 cm., rust op een rooster van chroomnikkel-staal, dat ondersteund vofordt door een gietijzeren

raam.-werk.

Om het gas zo gelijkmatig mogelijk door het katalysator-bed te leiden, wordt het centraal binnen gevoerd en door twee diametraal t-çeplaa ts t e ui ts tro omopeningen afgevo erd •

~it 8rafiek I (zie pacina 9) blijkt, dat een lage reac-tor tempera t'lUr bevord er 1 ij kis va or een hoge omz et t ings-eraad. Dat de temperat1lUr van de eerste reactor (350

-360oC.) vrij hoog genomen wordt , ligt in het feit, dat

het binnenkomende gas een aanzienlijke hoeveelheid COS

9 100 100

9

0

CD

...!:! ₀ .S 80

-

---

-.~

I

7°

bo

60 ~ +I--~--.---~--r--'-

40

t-

. ..1.-. . . . - - , - - - . . ; . ' .--~-,__-'--y i ~

*

~ m ~ •

*

~ ~

_{_oe}

w

100 80 ~

.. ho

.~ .~

j

~o 10 0 0 10 bevat . De omzetting %.0 0 10

( U

.

1

J

i 30 !O 1\0 to DO 'JO - CmI. ~~.ewo~~. .2.0 I • verloopt onder invloed van de katalysator beter bij hoge tempera-tuur. ,1anneer de temperatuur van de eerste reactor op

260 oC. gehouden wordt , zoals met de tweede reactor het

geval is, dan wordt het ~03 onveranderd met de

schoor-steengassen afgevoerd .

assnel-I ( /. /

L

(.

{Cr '~ \ ' I i~ ,

.. ...

J

,

l (\ I' :' \ Ij I 1 - --- -

-~-beid in de reactor geen zin heeft een katalysatorhoogte

van meer dan ::'0 cm. te nemen.

Uit grafiek 111 blijkt, dat de gassnelbeid in de

reac-tor laag gehouden moet ~orden om een goede omzetting

te verkrijgen. Deze snelheid is in dit geval op 15 cm.

per seconde genomen . :et gasvolu:ne is hierbij betrol:ken

i

_f>....( 'I _{IA, .}'

-\ .' /

"

,". (

op OoC . en 1 ata .

~e in de eerste re~ctor gevormde zwavel wordt geconden

-seerd. De reactiegassen worden hiertoe van ~80oC . tot

140 oC. afGekoeld in een condensor met een horizontale

pij peno1Jnd el. 1 n li t. ( 5' ) word teen pla t encond ensor

besproken, die zodanig geconstru~erd is, dat het gas

de condensor laminair doorstroomt . l~ierdoor wordt de

binderlijke mistvorming voorkomen. ~en nadeel van deze

condensors is echter de grote afmeting bij een

produc-j

tie van 100 ton zwavel per dag. (22000 m7uur

reactor-gassen) • Daarom wordt in dit geval een condensor met

pijpenbundel gebruikt, ~aarin de stroming turbulent is.

De consequentie hiervan is, dat achter de condensor

een cycloon geplaatst s oet worden om de gevormde

zwavel-mist af te vangen. ~e condensor is ingericht als

stoom-ketel met een stoomdruk van l t ata. Dit komt overeen

o

met een ko elwa tert e:-npera tuur van 112 (j .

De tweede reactor

In de t'.'leede reactor kan de temperat-;ur laa~~ gehouden

worden, omdat de inlaat gassen geen COS meer bevatten.

Door deze lage temperatuur(260oC.) wordt een hoge

I

I, ,

I ' " ; ( ( , " \ tI, \. l " ' ç -" ( [, "

C,-'

_:~(

.

'

_~ ) ' , ' ~~ C. .' I . I ,l i ~( .. rl (v \ L " " : • , , ' • ~ .... f. : • I ' ,

.

'1 .. {, " ( . '

tingsgraad berei~t. Voor ~et ~as de reactor binnen komt,

i'rordt het in de cas-gas'.'farmtey.'isselaar VB.n 1400,::: . tot

opgevrarmddoor de gassen, die de stoomketel

ver-laten.

~e twee reactoren zijn even groot en zijn op dezelfde

manier ingericht. ~e in de tweede reactor gevormde

z':ra veld amp \7ord tV1eer in een cond ensor met pijpenbund el

gecondenseerd . Hoewel in de tweede react'or minder zwavel

gevormd wordt dan in ,de eerste reactor, zijn ook de

twee cond ensor,p even groo t zenomen •

Ook achter de tweede condensor is een cycloon geplaatst .

De restgassen

11

I

i .08 re:3tcassen bev'3.tten noc een kleine hoeveel'heid H

2S \V en zViaveldamp. ~~ij ecn produê'tie 1Tan 100 ton z':ravel per

dAg i s deze hoeveelh~id ~~J in verband met zijn gif

tig-;::,

heid toch te groot om . ,vo 1 kt land als lied

er-land, ~onder meer als schoorsteengas af te voeren .

Daarom worden de restcassen met een oVfrmaat lucht

door een katalysatorbed van bauxiet Geleid om i1₂'.i en S-dCl.::np volledig om te zetten in 30

2• Dit is geen ideale

oplossing, \:ant ook 30') is ziftig; toch verjient het

'"

afvoeren van JOr _~ de voorkeur.

Je re~ctor, w8~rin deze ~assea verbrand worden, is van

het zelfde type als de eerste en tweede reactor, maar van kleiner rormaat omdAt een groter gassnelheid toege

-laten is .

r· \

\ \

IV) Berekeningen

1) Kateriaalbalans

Het gas uit het H2S-winningsbedrijf komt de

zwavelfa-briek binnen onder een druk van 1,~3 ata en met een

temperatuur van .C)OoC . Bij deze temperatuur bedraagt

de verzadigingsdruk van waterdamp PH

20: 0,04 ata.

Het gas bevat dan

~:g~

x lCO% = 3,0 vol% H20. Uit

een gasanalyse van het binnenkomende gas is nu de

sa-menstelling VQn dit eas te berekenen,

~amenstelling van het H2S-ri~~~: (in vol%)

H S 80,0 0;' _:';H 4

.

1,6 rt"' 2 p

.

;0 CO 2 14,6 -4 C2H₆ O,~ ocf la /0 H20 3,0 'jo ·1

De lucht, die aangezogen wordt, heeft een druk van

1 ata en een temperatuur van lOoG. Aangenomen wordt,

~

dat de lucht verzadigd is met waterdamp. Bij 10°C

be-draagt PH20: 0,013 ata. De lucht bevat dan 0,013 x

1,000

lCO~~ = 1,3 vol;;; H20 .

Samenstelling aangezogen lucht: (in

vo11o)

°2 20,7 IV !.

N2 78,0 "

I;)

H₂₀ 1,3 7J

Voor een productie van 100 ton zwavel per dag is bij

een rendement van 96,4/;\nodie;: - - x -100 34

96,4 32 x 10if;;

-110 ton H2Sjdag. Dit komt overeen met 135

Per uur komt de zwavelfabriek binnen: H2° 1·')5 krool 80,0,; ) CO') r~ 24,6 kmol 14,6;-;) H')O r~ 5,06 kmol 3, O/~ ) CH4 2,70 kmol 1 , 6;~) C~H6 1,,")5 kmo 1

°

_,8;:&) 168,8 krnol (100 ,Oï~)

De voor de partiële verbranding benodigde lucht wordt

zo berekend, dat 1/3 deel van het _H2S en de

koolwater-stoffen kunnen verbranden.

H2S ) _{2H 2S}

+

02 ~ _{2H2 0}

+ 2S

voor 135 krool H23 nodig 1~5

,,-,

=

67,5 kmol/uur 02

voor 2,70 krool CH4 nodig 2,70 x 2 - 5,4 _krool/uur 02

voor 1,35 kmol C2H6 nadir'; 1,·35 x ; =:. 1 ,725 krool/uur 02

- - -

t

77,625 kmol/uur 02

Hoeveelheid benodigde lucht:

Voor de verbranding is 77,625 kmol/uur 02 nodig, dus

moet 100 x 77,625 = 375 kmol/uur lucht worden aange-20,7

zog en.

375 kmol lucht bevat: 77,625 krool _°2 ( 20,7/;)

292,175 _{kmol H2} ( 78,0;~)

4,9 kro 0 1 _H20 ( 1 , 3f~)

----375 kmol (100 ,O}&)

___ H2_S

SO?

I 1

Gas na8r oven Gas uit oven naar

r

Gas uit stoomketel

I

Gas uit reactor I

stoomketel nRar reactor I i naar condensor I

I

---L~--_

..

c--~-

----+

~

---

"'---'-,--kmol/uur kg/uur kmol/uur kg/uur 1 kmol/Ullr 1 kg/uur I kmol/uur

I

kg/uur

135,0 ~590 60 2040 60 2040 1~ ~76 1 _ ! 30 1920 30 1920 7 30 1320 30 1320 30 +4-8 I

cO

2

l - - - - --.. - -.' fT'

24

-

;6

-.. 9,96 1082,4-179,28 8189,3 2484,0 +3,2

4-0,5

94-,41 16';19,38 ~4,41 1699,38 1-+0,4-1 1320 ~527,38 8189,3

~

'.'.

H 2 0 __ ~T2

.

O

2

'-- CH 4

,--"-

C2H

_{S -d}

6

2 S6- d totaal gas 292,4-75 77,625 2,70 1,35 543,710 16608,68 S8- v1 totaal

F======~=

5

=

~

.

?~~~~

___ '._

L

__

-:=

~~~~

~

~

.

~

_

~

_ • __ 292,4-75 8189,3 ~<j2,475 8189,3 2<j2,+75 22,5 1440 529,385 529,385 7,5 1++0 19 3648 - . ...:. '':''::::=_7~ , •. - .--.

_

,

=: .

.::::.._c- :=--' _:.:7'::C·-:····'" T·· :-:--,.=._-'--~-=:'-:~'-"-=f= - ----t-- - I 16608,68 51'+,385 : 16608,68

I

502,885 , 16608,68

I

I

__

166?

8

,~

_

~j:14-

,~

85

I

..

1~6?8,~~

J

_ 502,885 _. .. ---- -._- -- - ~ -~ _.--- - -._-. .-.~ ... -,.~--._--. . -. . i .- --~ .... - - - . 16608,68 "::.-.:- -'. ..--:.::.. _ .. __ .j f-' ~

I

Gas uit condensor I Gas uit reactor 11

'

1

Gas uit condensor 11 Gas uit reactor 111

naar reactor 11 naar condensor 11 naar reector 111 naar schoorsteen

1---_ _ _ _ ___

L

kmol/

uur

t

...

k~I'"':'E

_

_

m-~

b;,~:i

2.:rui

__

L

~

~

~tÎr

J

u-

km olj':":.r

_

i

__

kgi~r

]0;;01/

uur

I

k:g;:uur

__ ~~ 14-302

7

- - c0 2 ---- - -- 30 .. .. , 1320 30 1320

i

30 1320 30

r--

H;:>o

-

;_

lLtO,~i

----'

-

25~7,38

151,21 2721,78'

I

151,21 2721,78 154,8

~

_N2 292,4-75 8189,3 292,4-75 8189,3

I

292,475 8189,3 31),875 1 I .. 02

I

1 1 , 1,05 -

1

~-

CH4-

'

1

i

1

_

_

~

_

2~6

S2- d S6- d 0,08 15,36 533,76 0,06 11,52 330,24 1320 2786,4 8844,5

33,6

f---·- -2,78 i 481,185

J

_ .. __ ._--' - - - --=-=== totaal

r---

--

-

_s

g~:l

.. --

_

...

~--~._

. 8 _..

j

4-83,Cj65 l'4-,l'j 1 2976,04 , 31'"3? /o '-, (')-+ ,

I

tota

a

l

I

"98

,15

~J

__

16608,68

I

'+78,54-5 12+53,2JJ

:~:

:~~:

f

_

~

._"==

___ _

_-:- - ---=---=,;....;._- -

12976,04-~

(3

632,

6

4)

16608,68 ~,o+ (14-,19) , -+94-,775

5

??

--,

?+

-'à (3632,64) ,,~ -16608,68 506,885 (16,23) 523,115 1331+,74 (415+,8,S) 17469,62 f-' CJl

i

l

' .

0.. '

De uitkomsten van de volledige materiaalbalans zijn in overeenstemming gebracht met de resultaten van een

bestaande proeffabriek .

(2.).

BenQdigde lucht voor d~ derde reactor:

De restgassen uit de laatste condensor bevatten nog

H2S en S6-damp. Deze verbindingen moeten volledig in

802 worden omgezet.

2H2S

+

.302 --+ 2II20

+

2302

voor 3,2 kmol H2S nodie;3,2

x

,}

=

4,8

2

3 6

+

602 ~ 6302

kmoljuur 02

voor 0,06 kmol S6 nodig 0,06 x 6 = 0,;"36 kmol/uur 02

5,16 kmol/uur 02'

100

dus 20,7 x 5,16 = 24, g2 kmo I/uur lucht. Om van volle-d ige verbrand ing ver zekerd te zij n word t 30 lanol/uur

lucht aangezogen .

2) \Iarmtebalansen

(3),

(~)

,(1)

'

Voor de berekening van de soortelijke warmten van de diverse gassen is gebruik gemaakt van de volgende for-mules:

(3).

soorteli.ike_!{ar!!!j~1:~call?~.2~I-!Qol. (T in OK) H2 6,50 + O,OOIT 1128 7,20

+

0,00360T CH4 5,')4 + O,0115T _":>2 ... ~:S , 58

+

o

,OOO:"30T C0_o. 0 _.• 10 ,:~4

+

0,OO274'J..' 195500/1'2 H"O c, 8,22

+

C,00015T +- o,00OOOl;),1T 2 '::i00 _,~ 7,70

+

0,005;)0'1' - 0,000OOOè33T2

De grafische voorstellingen van de s .w. van de

laat-ste drie gassen leveren geen rechte op. Om tussen

, - - - _{- - - -}

---o.~

O,2CJO

Cr

iVUhlI

52.-~

= 0, \2

WIt,

oe.

cr

/ITP.tU

.5l,-cLam1f::

0.15

w/~~

oe.

H10

_.

o,?50

a,l(iO

t .',,~

\'-

-

1 twee temperaturen toch op eenvoudige wijze de gemid

-\

'delde s .w. van een van deze gassen te kunnen bereke-\

\ nen, zijn de s.w.-temperatuur grafieken zo goed

moge-, lijk recht getrokken.

De soortelijke warmte van :3_{6-damp is} 0,25 cal/gram

~eze gevolgde werkwijze biedt het voordeel, dat de

Ort v.

s .w. van een gasmengsel lineair met de temperatuur

toe-neemt. Hierdoor worden de berekeningen, die alle op

het principe van de succesievelijke approximatie

be-rusten, sterk vereenvoudigd.

Tenslotte is nog aangenomen, dat 3-damp boven 5000C

alleen als S ₂ en beneden 500°C alleen als _{8 6}

voor-komt •

.Iarmt eba lans eers t e r eac tor (werktempera tuur "Ft350 00,)

Heactievlarmte bij 25°;:;:

2H2S

+

.:302 --- ~-S6

+

_{2JI 20}

\

(60-14) (2 x 57800 - ~ x 27780 - 2 x 4770

--70940) = 488290 kcal/uur

darmtecapaci tei tinlaatgassen ( ~3000C __ 250_C)

H S ₂ 2040 x 0 ,256 = 522 kca1;oC 8°2 1920 x 0,154

-

296 CO 2 1320 _{x 0,2')5} = 310 H20 1699,4 x 0,470 : . 797 Nt) t.~ 8189,3 x 6,248 == 2040 ,., 1440 x 0,25 360 °6 = 4:325 kcal/Oe 17

HqJ L176 v-

o

,~6')

-

125 ,. "-' SOC) .~ 448 X 0 ,157

-

72 COC) r~ 1:')20 x 0,240

_-

316 H₂0 2527,4 x 0,476

_-

1200 N') '-' 8189, ?) y: _{0,2:)0 - 2050} ,-'.., 3648 x 0,25 91G :..-

-6 4673

Vr i.i komend e v.'armt~ ; (:'00_0.) .... 1 h ) q e act i ev:.'a rm t e ~ kca1/C kcalj'C X 4325

-

1189400 kca1jUur 488300

- - - -

+

1677700 OpgenoMen warmte: (32)0-25) x 467:3 _ 1659000 verlies

.iarmt ebalans t"Jireed e reactor

R eac le';r.rarme t ' t b " lJ 25°" . v:

_

₊

11 J 'tIJ 18700 kcal/uur (werktempera tuur

±

260°0) (2 x 57800 -

i

x 27780 - 2 x 4770 -- 709 /10) = 114642 kcal/uur • .iarmtecapaciteit inlaatzassen (250°C --;.0. 25°0) H₂S 476 x 0,253

_-

120 kca1/C SO ₂ 448 x 0,152

-

68 CO _<) 1320 x (., 0,232

-

306 H<)O 2577,4 x 0,476 = 1180 '-' NC) 8189,3 x 0 ,247

-=

~20jO <~ .... _15,4 :Y: 0,25 4 ~

-6 3708 kcal/C 18

,)

19

':farmtecapac i tei t uitlaatgassen ( 25°(;

-...

275°C )

IJ .::' _{108,8 " 0,255} -== 28 kca1/C _ Á 2.) Ic "'0 o 2 102,4 :z

o

,

15~5

-

16 e0 2 1:320 :x 0,234

-

-509 H₂₀ 2721,8 x 0,467

-

1270 }J2 8189,,) x 0,248 = 20:30 8₆ 530,8 x 0,25 _- 1);''1 3786 kcal/oe .

Vrijkomende warmte: (250-25) x 3708

-

834300 kcal/uur Heac t i e"llvarm te: - 114600

- - -

+

948900 Opgenomen warmte: (275-25) x '3786 _ 946500

verlies 2400 kcal/uur

Jarmteba1ans condensor I

Het gas uit de condensor bevat not 0,08 kmo1 3₆-damp

.:.~..,..,..--op een totaal V3D 484 lmlOl gas , dus P.:3

6

=

°l~~

=

C,OOG16

ata.

Dit ~omt overeen met een temperatuur na de condensor

van ±(1400C. ,( I , : ' ' . ,

.!armtecapaciteit in1.8-atgas, zonder S6 (:3800C - 140°C)

H 2J :3°₂ C02 476 448 1320 x 0,269

=

128 kcal/C x (; ,160 = 72 H 20 2527,4 x 0,482 = 1216 N 2 E3l89,.) x 0 ,252

=

2070 3809 kca1,fe

\. (.

'.

,

~ \

Vrijkomcnci e '.12) TUt e; ('580-140) x .3809 = 914200 kcal/uur

)6-d ... _{3 8-1, entha1pieverschi1} .380oG ~ 140°C = 120 kcaljkg, (»648-15~;6)x 120 = 1>56000 3 6-d ~.36-d, enthalpieverschil

°

14:0 G = .")8 kco1/1q;, 15,")6 x ~58

larmtebalans condensor 11

600

- - -

+

1:350800 kcal/uur

Het gas uit de condensor bevat nog, o,06)km01 S6-damp

-- 0 06

op een totaFl.l V8n 478,f') kinol e;as, dus Ps = ~47r) c:: =

6 (.), ~

0,00012) ata. :Jit komt oVl'èreen met een temperatuur na

de condensor vaD

~

~.

1

'~:C

°è)

t ' t ' t . 1 t ' ( '-"l'~ Fe 0,.... ... ·l.11C 0, ' )'

:arE: eca.paCl ,El 1D 88 C8.G, onoer

-c

.-:,1,,) oJ - _ v

H" ,"-, ~ lC.? ,8 x 0,26.;

_-

~::9 k '1 _{,Ci, /} I Û . _'-' :30') 102,4 " h 0,16'/ ₌ 17 '" ,""0 _{oJ 2} 13?O x 0,24:(,

_-

316 1-_.Ll7 0 2 27~;1,8 x 0,1'75 == 1~;92 1~2 2189,3 x 0,25(;

₌

~;(;5 0 5704 kcalr C

Vrijkor:1GnS8 \7armte~ (275-1'.10) x 3704

=

500000 kcal).Jur

SC-d ~S2-1, enthalpievers chil 275°::; - - .

14C°C; = lC) kcal/Á[;, (5""3\76-11,~)::::::)z 10·'-5= 5·"'>600

11:_~)t., :'~ -_{.. i .} , ')1

f ,

r---. ---.. armt ebalaus r"; 0-' ·"~S "éH;.;t C. i ~j f5 C 1 J ::!r ---~---_.-.. ~---T: <") :: 476 x 0,261

-

1211 1 ~ca. 1 / ' .J ,~ ~C ~48 ft.: " _{,1~6 7C} ' J ·2 l,

-:JO,·, 1 ~.SC: ."

e

,2')9

_-

'~J16 H"O :~52? ,4: 0,474

-

1195 "-' 'l,r '., e1:39,'" ... _0,2LiS'

-

2(:45 ( , , 15 ,4 x 0 ,2F) <'1

°

6

-.:5'754 kcal!'.::: _I

.iarmtecapociteit af te koelen [assen (.)90-'-':; - ';OOOC) lI~)J 2040 x 0 ,220

_=-

:~168 kn·, _I..ILA. 1/0" v SO" lSî?,O x 0 ,166 ₌ :)16 "-COc:. ( .. 1·::2(. }~ 0, :-:.54 := , :')5 ~. ,'" J • • <")\" é_ 16S i_{Q ,4} x ₀ ,492

=

)-"·:)5 1- ₈₁₉₉ -.) _{x 0 , ~)55}

=

~~C95 ...L.:')

,

'c ,"t 141C x 0,25 ' I "'r 0 ₆ : : ·)0, ...

Af te geV8t"l W3rmte~ ('\94-'\00) .'. -1511 ... 4::."',4000 kcal/uur

Cp te nemen '.'.'arlilte: (S~C1-\ >- • • . . . 1 ' lAC)' .l. A ~7F.14 _

41290U-11100 kcal/uur

.Jarmt ehalans oven en stoomketel

.Je thc:oreU.2che v1m';"te"perDhrur is in 0 ' .

hoevee1cleicl verbranclingsrroducten x 2;emiclde1de

soorte-li,jke warmte.

°

·3uccessieveli.~1:E élr)proxiJ,:,s.tiE:~ stel t _ 1380 C.

· t . t . t 1 ' t (lC'o ~~ ~ ~I", 0-;) .arm Ecapacl Cl Dcn _ ~ _~ _

°2

248'1: x G,217

-

539 kcal~G Es> 8189 ,~) z 0,24'"3

-

1990 Iic,O [, 0 () --' u,""' ,~ x 0,466

-

41 2570 kcal/C H,,8 4590 z C,244

₌

1120 kcal,. .oe G CC') ~ 1082,4 y~ l~nO 91,1 x ,~ CH 4 t'l -, " ±J ,c -;. :-..., F '"'216 40 ,5 x Reactiewarmte bij 0,205 = 0,466 C,550 0,:)95 o 25 ~: = =

-H C"

+

110 00

+

F 0 "-2..) 2" 2 - J 2 ü2 222 4,'j ?4 16 0 1425 kca1/ } x 1~5 y (70940

+

57800 - 4770) :; CH 4

+

20~) --.. _{CO 2}

+

2H~:~0 2,70 x (94050

+

2 x 57800 - 17890) ,~ v 1,35 x (2 x 94050

+

~';) x 57800 - 202t10) (2 x 57800 - 1~ x :)1020 - 2 x 477C - 7(940) 22 5578650 kcal/uur 517750 460700

- - -

+

6557100 kcal/uur

=

-

171150 'Totaal: 6385950 kcal/uur

23

( 0 ' l . , . 0 '-. )

,arn:tecal)aci tei t overJi~:aSSEn 25 C - 1 )00 ',-, .

1-:Z:3 2040 x 0 , :328 ₌ 670 kca1/ oC S02 1920 x 0 ,1?,8

_-

:562 CO') 1320 x 0,291

_-

)86 ~ H.,O ?- 1609,4 x 0,535 - 910 1':r _~2 8189, 3 x 0 ,26'1 _- 2185 ,"', 1440 x 0 ,12 1 7~'j ..:)2 -4686 kcal/ IJ '''1 v

:;)e theoreti::::che v1él~:. t enp erg tuur is dus:

17p10n

.Jv v .

De z e be rek end e t ernJJ er 8 t 1] 11 r kom t 0 ver een met de;; es c'h a t t e

t emper8 tm:r •

::Je in de oven ont"'ik::e1cle varrnte v,rorc1t voor een croot

deel benut om stoom te produceren. jan de uitlaatzijde

van de stoor:ll:ete1 (!lOeten dE' sassen noz een tenperatuur

van :')94°:.; r!ebben. ("';ie VlarLlteoa13ns gas-g3s warmtewi

s-se1sar) •

.iarr:1tecapaci tei t ovengassen (lJ?'OoC

--.

-; '''4°,,) ':J 'v

lif)3 2040

o

,.35~ 720 ,0 ., K - kcal l IJ "-3°2 1920 x 0 ,2CO = :~'04 CO 2 r :120 C,,)lC

-

410 II:~C 1699,4 ,-0 ,552 9~0 .. -

-N 8189, :3 x 0 ,274 ₌ 22'iC 2 kcn1!C 4'7C~

Af te geven ~armte= (1~80-~04) x 47(4 4638100 kcal /uur

o ~c,-g ~ ~G-cJ entba1r,ieve1'8chi1 1),'30 C_ t:., o ~94 C = 465 kcal/kg. 1440 x 465 669600

-

-

--

+

5307700 kcal /uur

,. , \ ~".' i. .' \ \ . I . . I , ( . '. 1., ,f' ; ',I. . i I

~r ZijD dus 5~0770C keal/~ur be~chikbaar voor sto

om-productie,oven- cn ketelverliezen.

o

Cm 1 kt; Vloter Van 20 .~ 0,:1 te zetten in verzadigde stoom

o

van 185 :-; (11,8 ata.), zijn 644 kcal nodig. Dit komt neer

0:;:) een () to ompr od ue t iE: vo.n C2GO ks/uur stoom. l\.ekening

houdend met verliezen wordt 8 ton stoom per uur

gepro-duceerd . Om de vlamter.1peratvur in de oven te verlaeen,

TIorden lanes de oven~and waterpijpen aanzebracht, waarin 1':cet ketelvoeding~vater vO.n 20°::; tot 150°::; '.';-ordt voorse-'irarmd •

Oven: 8CCOkC ;Uur _, v.'n ter van 20o~ ~150oc:

24 \

.

7

8GCO ~~ 1';(' wnr~tever1ie3 ovenwand _ lC40000 kcal/uur 52200

- - -

+

1092200 kcal/uur

stoom V8.n 135°-::; : ~'GCOz(644-l:~C) - 4112000 kcal/uur

~ar~tever1ies ketel

-

103500

+

4215500 kcal/uur

Totale ~armteafgifte in de oven

-

1092200 kcal/uur

Tota.le war:llteafgifte in de ketel

_-

4215500

Totale warmteDfcjfte reactiE~assen

_-

_{5307700 kcal/uur}

:Jerekenin;; van de vlamter.:}')eratuur, ,.rra8:'blJ rekening genouden is rlet de vrar:-:ïte 'deifte van 1092200 kcal/uur

Successievelijke app=o~imatie: stel t l 1 7 5_oven 0C.

.'arntecapaciteit ovengassen (25°8 ~ 11750_C)

H')S 2040 x C,314 _- 642 kcal/ IJ" '"' (~ SOl"-) 1920 y.

o

_,le~2

-

₃₅₈ ,,-, CO') r '120 x 0 ,220 _- 37C "-EGO 1699,4 _'" 0 ,523 800 "-' lIG "-' 2.189, '3 j( 0 ,263 _- 2150 ("'. °2 1440 x 0 ,12

-

17?, 4575 kC:ll;oC 25

·.·.'armteontvrikkeling in de oven bij 25°C _ 6~)54500 kcal/uur

t fG€voerde uarrnte uit de oven:

(1175-25) x 4575 _ 5261200

Afgegeven ~arrnte in oven: to taal _ 1093')00 kcal/uur

Dit laatste get~l ~temt overeen met de de ~estelde

1092200 kcaljlJUr, dus de vla:rr..temperatuur in de oven is

·.farnltecapaci tei tinlaatgassen _{- -} 05°,,) _{'-' v}

, f • 108,8 x 0,247 27 r .. l'U -,::, 8°2 102,4 x G ,149 ::. 15 C02 1320 x 0 ,225 = 208 H 0 2'721,8 x C ,464

=

1262 2 lif 2 8189,3 x

o

,24~)

=

2010 S6 11,5 x 0 ,25

=

.) ·7,615 kcal;oC

':/a!'lTItecapaciteit lucht (loOe ~ 250::::) .

26 JarT!1tecapaciteit lucht (100 (; ~ 25°(;).

r

')2 655,2 x 0,24:')

₌

160 kcal/oC °2 198,7 x: 0,217 - 43 IL)O 7,0 y: _{0,466 -} ) t::.. 206 kcal;oC Reactiewarmte bij 25°C ~ ,2 x

t

x (2 x 57800

+

70940 - 2 x 4770) - 283200 kcal/uur S6

+

60 2 - 6302 0,06 x (6 x 70940

+

27780) Vrijkomende warmte: (140-25) x ,3615 27205

- - -

+

310405 kcal/uur 415725 kc~l/uur

iJarmtc nodig voor lucht: (25-10) x 206 _ ,3090

Totaal aan vrijkoT!1ende warmte Reactiewarmte bij 25°(; in reactor

Totaal aan vrijkomende ~armte

.. armtecapaci tei t uitlaatgassen (25°C

SO 2 ,)')0,2 x C,15l

-

50 kcal/Oe CO 2 1320 x 0,231

=

305 H₂0 2786,4 x 0,464 = 1280 N 8844,5 2 x 0,246 = 2176 °2 '~ "'S , 6 ):. 0,222

=

7 3818 _{kcal/ C} °

Totaal aan vrijkomende warmte:

Opgenomen warmte: (213-25) x ~818 - 4126·35 kcal/~ur = .310405

,---

+

=

723040 kcal/uur 0 C) ~ 213 - 723040 kcal/uur 717785 .armtever1iEs O ,~: 5255 kcal/uun - - - --- - - -- - - -

-De dagEroductie:

De fabriek heeft een productie van 100 ton zwavel per

dag. Deze productie is aangepast aan de in aanbouw

zijn-de contactzwavelzuurfabriek van zijn-de Koninklijke

Zwavel-zuurfabrieken v)h t Ket jen N.V. te Amsterdam. Deze

zwavel-zuurfabriek zal een capaciteit van 300 ton zwavelzuur

per dag hebben. De hiervoor benodigde 100 ton zwavel

per dag zal voorlopig uit Texas worden ingevoerd, maar

men hoopt deze in de toekomst van petro

leumraffinaderij-en in Nederland te betrekken . (lit. b ).

Vele gegevens, die in dit ontwerp zijn gebruikt, werden

welwillend afgestaan door ee~Nederlands bedrijf. Dit

bedrijf legde de verplichting op, deze gegevens niet

nader te noemen.

Het H₂S-winningsbedrijf en de zwavelfabriek zijn

afzon-derlijke eenheden . Eet is niet nodig, dat deze naast

elkaar staan. Het H

2S-winningsbedrijf maakt meestal

deel uit van het gaszuiveringsbedrijf van een

kataly-tische kraakinstallatie, terwijl de zwavelfabriek

onder-gebracht 'wordt op het terrein van de "chemische'· afdeling

van de raffinaderij.

De installaties zijn in de open lucht opgesteld.

!~~~~rui~~Q_~at~~!ale~:

(~)

a) Het Girbotol H2S-winningsbedrijf:

De kolommen en pijpen zijn vervaardigd van

chroom-nikkel-

i,,!""-I ' staal 18-20 , vo or zover d ez e in contact komen met H2S

-! \.,~'> \ ..

\\\1'

;,t"

\,;, , ' , " bevattende oplossingen of gassen. Het

chroom-nikkel-~

\ \'.'\. ../,',' \' :

, ,'.,l- :, ( ::' . \ '( >1 "

t~· ,',' 'J \ staal bevat 18-20 > Cr, 8-11 ;1;0 la , max. 2 ;;;; Mn en max.

... (.. 11 l 1 \.

'\ '\.. '

\ ,\'

,~.

.'

'

°

08 ut C

, ~ \ " ,', , liJ •

\ \ C,',·

;,:",,\ .j\' ' \ , Voor de gietstukken, zoals pomphuizen, afsluiters, etc.,

\llV .

~\/ ,\~.," is voor het Girbotol-proces door de fir:na Worthington

een speciaal materiaal ontwikkeld, Worthite, dat 26-~O

%

Cr, ma~. 4

0

Ni en max. O ,~5

%

C bevat.

b) De zwavelfabriek:

Alle apparaten en gasleidingen zijn van staal 37

vervaar-digd, met uitzondering van die delen, die in direct

contact staan met de hete S02- en H₂S-houdende gassen.

De~~!:.braQQ!Q.&ê..2.!~Q is bekleed mf~t het vuurvaste

mate-riaal ?licast van de ~ufflite Co. Dit materiaal heeft

een laag warmtegeleidingsvermogen en is door gieten in

een bekisting §.-eH'l§.kkelijk aan te brengen. Tussen de

sta-len ovenwand en de bekleding is een laagje slakkengruis

aangebracht . Deze maatregel dient om mechanische belas-ting van de bekleding bi,j expansie door verhitting te voorkomen.

Voor de installatie in bedrijf gesteld kan worden, moet

de oven voorverhit worden tot lOOOoC. Dit geschiedt

door in de oven methaan te verbranden. Voor de toevoer

van Methaan is een speciale leiding naar de compressor

29

aangebracht. Het methaan wordt aangestoken met een fakkel, waarvoor een kanaal in de kop van de oven is

ui tgc:spaard •

Ook de leiding tussen oven en ~~~mketel en de deksels van de stoomketel zijn ~et Plic3st bekleed .

~en zeer kwetsb3re plaats is de eerste pijpplaat van

de ketel. leze wordt daarom op de volgende wijze met een laag Plicast bescberfud ~

In de vlampijpen worden houten proppen geslagen, waarna de ruim

-te tussen de proppen met P

li-cast wordt opgevuld. Nadat de

i80latielaag gedroogd is, worden

de proppen we9r verwijderd .

~e vlampijpen en de pijpplaten van de stoomketel zijn

vervaardiGd van Durisite, een chroom-niKkelstaal met

Dit materiaal wordt ook voor de waterpijpen in de oven

gebruikt.

v~Jé'JTdigd •

De rea~Q!en zi jn bekleed ~et vuurvaste steen. Het

kata-lysatorbed rust op een rooster van Durisite, dat

onder-steund wordt door een gietijzeren ra8mwerk. Het katalysa-torbed is bedekt met een laag vuurvaut materiaal om de

neiging van de katalysatorkorrels in de gasstroom te

gaan dwarrelen tegen te gaan.

Van de ~2B~~n~~E~ zijn de pijpplaten en de pijpen van

Durisite vervaardi2d.

De bed r i

.J!~~2.Q.!E91

~

:

(

1

)

.

De controle over het bedrijf wordt uitgevoerd door

mon-sters V8n het gas '~it de tweEde condensor te analyseren.

Het gasmonster wordt in een easburet boven ~)tijfselwa

-ter opgevangen.en op een vol~ie van 100 ml gebracht.

Aan de vloeistof in de buret wordt een bekende hoeveel-heid jodiu.7J1 in overmaat toegevoegd. Jodiul'll reageert met H₂S en 802 volgens:

H 28

+

J 2 ~ S

+

2HJ

De overmaat jodium wordt ter1.l.ggetitreerd met natrium-thiosulfaat. De ontkleurde oplossing wordt nu getitreerd met natriumhydroxide op methylrood als indicator.

i:Janneer de jodium- en natriumhydroxideoplossing dezelfde

normaliteit hebben, is de verhouding alkali tot jodium 1, wanneer het gas alleen H23 bevat; 2, wanneer het gas

1

alleen 302 bevat en 1'3' _{wanneer H23} en 802 in de

verhou-ding 2:1 voorkomen.

De controle van de zwavelfabriek is gebaseerd op de al-ka1i-jodiu..Lvnverhouding. De hoeveelheid aangezogen lucht in de compressor wordt met behulp van een schuif zo

gere-gelei, dat de alkali-jodium verhouding zo goed mogelijk

de waard e 11 benad er t •

:3

,,'armeer het Girbotol-bedrijf eeD recelmatige easstroom

, ,

van constante samenstelling levert, is een analyse per

uur vo1do end e.

r, '\ , . J 3) J .E.} e:;.':c~' , r. \ ,., ,l} V. ,) • "ter en, r-: , ; . l • • r~"~lle~, - 0 -0-0-0-0- 0 -0 -111') • (,1 -:·r - .~ '" ... I • Inj . -,n:~ . JI ') ...:..:::

,

11. r,

-

-

-

,

.~he.ilÎcal ·'n~ineërs landbook ,

()r~ cd ., -' .. e·., Vory., 1 '.)5C) • h""l',~~· ( "." +1'1 '-r'l 1°5'" .... .. j ...J _ _'-:> J :l- <.... ". . , ... l. r. ) • i~!i '10 17 '::::- ' '

,

"hl z . 'lz. Cl

'_'he 3ulpl-:er ~)ata :Book,

31

,)

CVV

\",,(\\

~erekening van de gas-gas warmtewisselaar.

~

:

.~~F

!'

I

doorli<....A.T .,Ii jburg - - - . !.:

I

I , I I

I

I

I

:'~

I1

-n

:1

I

JI-->'r'

"

- - - -

.--..

-'-"'\

~

Voor de viar!'1tern18t1s V',t1 (Je vl"ärmtewisselaar pagina 21.

De op te 1N'.1Ty:!.en [;HSSen moeten opnemen:

war~teverlies deksels:

over te dragen:

De af te koelen gassen moeten afgeven:

over te dragen:

verlies zijwanden : 412900 kcal/uur 21(0) 415000 kcal/uur 424000 kcal/uur 415000 k ~ 9000 kcal/uur

De constructie van de warmtewisselaar wordt als volgt

voorGe:,;teld:

10 Het af te koelen cas stroont om de pijpen, het

op te warmen gas door de pijpen.

2° De doorsnede van de warmtewisselaar is rechthoekig.

o

:) In de v!armtewis;ö;el aar zijn omkeerschotten aange-bracht, waardoor de pijpenbundel enkele malen loodrecht

doorstroomd wordt.

250

.r

140

t"'emid in de pij:.'en: CJ

o • (;., = 195°0. 347°C . :)94 + 'SOO tgemid . or.! de pijpen: - - 2 - - =

À".

O,O:)H::' J/sec .m

Oe

'1-

0,0245 b

-

.; IC ' _{h s ee;fn} C

_p.

121(

_.

) T /I. r- 0" v /.t'c, -' 'Z

P

=

0,85 kC,ff!l"

inwend ige pi.j pel iamet er:

2 l" . ,jIJ

°

0,0487 J/sec m C O,030Cx 10- 3

N

sec;m2

Cr.

11:)0 J

It::G

0:;

p

_

0,6,3 ki;;1n3 0,025 m (.J" i uitwendige pijpdiameter: 0,029 m \0-'",'

stel de vmrmteoverdraclî tsc

°

ëffi c i ën t in de pIJpen (0\, J

2

-

1a

~ 0 hl (!I..

-1a

60 Jjffi sec oe, dan is ~u.pr

=

(

À~)(~)

(60 x 0,025)(0,0245 x 10-',x 1210) = 42,5

0,0388 0,0388 •

Uit grafiek P 18 (lit. 1 ) volgt, dat Re dan is 11500.

-3

pil!

D.

111::00 d _ 11!:·OO :;.ç 0 ,0245 x 10 "

'1 ...

,-'

,

us v - 0,85 x 0,025 : 0 1.3,3 m/sec.

Stel , dat de warmtewisselRar x pijpen bevat, dan is

• 1 . . 2

- - -

-Per uur gaan door de buizen 484 kmo1 gas met een

tem-P eratuur van 1950C, dit is 48~_~_~2,42: _{- 273} 468 = 5 _' 15 m3 j:sec.

-4

5,15 = a x

i

v

x 6,25 x 10 ~ 13,3 . Dus a is 800.

De warmtewisselaar bevat dus 800 pijpen.

Om de lengte van de pijpen te kunnen berekenen, moet

de warmteoverdrachtscoëffictënt om de pijpen (0<%,.) geschat

c- -1 1 1

'!lorden . Stel 0( ... 75 J;fn ~sec rt:;, dan is U := -

+

-

of

... 0<, ~2. '

U-I

=

~O

t

~5'

-

0,C").

U= :")3,3 J;fn2 sec

°c

.

~

=

U x A x AT lm' vra a rin

c/Jw

is totale hoeveelheid over te dragen warmte.

U is de totale warmteovfrdrachtscoëfficiënt.

A is het uitwisselend oppervlak

415000 x 4,19 x 1000= _3-3, 3 x A x 3600 2 A = 95 m • 160-144 2,3: log 160/144

Di t ui\visselend oppervlak is gelijk aan: aantal pijpen x

x o!'1trek van een pijp ( bij gemidd . diameter ) x lengte

van de pijpen.

800 x 1T x 0 ,027 x L = 95, dus L = 1,40 m.

Aangenomen wo~dt, dat bij stroming loodrecht op

pijpen-bundels in een warmtewisselaar met schotten, de volgende

practij:kformule geldt: };-u = 0,18

(Re)O,60(pr)

Y~

(

~

)0,14

o(~~

=

0,18 (

nr,

~ n~

)

0'

1.0 (

~

)1.

q/'~

(

li;.

1

)

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

, ,

Voor gassen is de. factor (!!L)0,14 I' 'k

~w ge IJ aan een.

V _o wordt betrokken op de lege doorsnede. Op pagina 34 is

~~=

75

J}n2 75

_o

x 0,029 0 IE' R 0,60 0487 = , \ X Le x

,

Re = 1·3000. sec oe gesteld, (0,0300 x lO-3x 0,0487 zodat: 1130) Re ::: p~D

...

=

0,63 x Vo x 0,029

=

'1

0 ,0:)00 x 10 ,5 L3000 . Vo = 21,2

m/sec

.

Stel de afstand tussen de schotten op b meter, De 800 pijpen worden in 40 rijen van 20 pijpen "staggeredtl

geplaatst in twee vierkante pijpplaten van 1 x 1 melk. Het gas om de pijpen doorstroomt een rechthoekig kanaal

met de afmetingen I meter en de schotafstand b.

~Y

=

V_o x lengte x breedte

Ier uur stroomt om de buizen 514 kmol gas met een

tempe-ra tuur van :34 70C, dit is 514 x 22,4 x

~~g

= 26200 m3 juur •

26200 _ .

3600 - 21,2 x 1 x b • Hieruit volgt, dat b= 0,35 m. De warmtewisselaar bevat dan 3 schotten, dus 4 gangen, want de pijplengte is 1,40 m.

Deze globale berekening, die goed sluitend is, werd door middel van successievelijke approximatie bereikt .

Aan deze globale uitkomsten ontlenen we voor de

defini-tieve berekening de volgende gegevens:

10 de warmtewisselaar bevat 800 pijpen.

20 de doorsnede van de warmtewisselaar is 1 x 1 meter .

30 de warmtewisselaar bevat 4 gangen .

· _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1

~

---dat het

:

~

'C

Aangenomen wordt,

tempera-Ld:.

~

J44°C

_{tuursverloop zowel in als om de} pij-- I

~.

ub°(.

(I}

pen lineair is •

39~oC

(,,3&1.°C ~'~U _{worden van de compartimenten} (1 )

, " I

a1

0,';

e

i

_{en ( 2) apart, bij de gemidd eld e}

tem-peraturen in hun centrum, de totale

I i

oe

'

.3~r -.---.---~ warmteoverdrachtscoëfficiënten

bere-i

-

- - - -

"B/;OC

!

t •• 1t;~'C •

tij."

~11'C

(2.)

i I ._ .. ___ . ___ J

hlet de gevonden waarden voor UI en

U₂ wordt met behulp van de formule:

UI·ót 2 - U2-At l

A x

UI- A t2

In

-het oppervlak bepaald, waarover de

warmte uitgewisseld moet worden.

Uit het aantal pijpen en het uitwisselend oppervlak kan dan de lengte van de pij~en berekend worden.

a) Berekening van UI en U2.

A

,

tYJ

en

Cr

zijn bij elke temperatuur van het gasmengsel

op de z elfd e ".,rij ze bepaald, als het gemidd eld e mo

leculair-gewicht van een gasmengsel uit de moleculairgewichten van de componenten bepaald "'lordt.

36

--- - - -37 In de :QijEen:

(l )

;\1~::: 0,00902 cal/s ec m oe À 1'51, =: 0,00778 cal/sec m oe p2~~= 0,645 k g, ;fn3

f'5'~

₌

0,762 kg;fu3 1--,3 N ? _10·-3 N

12.'bb:'

0 ,0233 x _ 0 sec;m~

1's~=

0,0204 x secft!

crnl,=

292 caljkg oe

Cr

_"I, = 287 cal;1cg oe

Voor de berekening van de warmteoverdrachtscoëfficiënten

in de pijpen ( Oe en

Oe

)

wordt gebruik gemaakt van de

L I ~ 1

( \ 0 8 ( )'/~ ( 1 . t I ' \

formule: Nu

=

0,027 Re)' Fr . 1 pagIna 51).

- t 2 0,.,

V)~I= 1~ ,3 caljffi sec ~

Bij 154°C:

.?(i.;.D~=

0,027 (Q~62_x 19~

x

0,~25)0,8(Q,0204

x 10_3x

287

l~

Jo...

0,0204 x IC j 0,00778 0( C) i.

=

13,2 cal;tn<Js ec 1 Om de pij:Qen:

A~,.

:.

°

,01085 cal/s ec m oe 3 A31'1.

=

0,01004 cal/sec m oe 2

f~'-

= 0,600 kg;fu

_

~-)

2 13&'1.-=0,0288 x 10 -. N secjhl

f

311.:: 0,672 kg;1n3 IYJ :. 0,0263 x 10-3N 1,,'1. 2 sec;fn

Crast

274 cal/kg oe

eb

= 270 cal/kg oe

I·''l..

Voor de berekening van de warmteoverdrachtsco~fficiinten

om de pijpen (0(" en ~ ) wordt gebruik gemaakt van de

"', 14.1

formule: Nu :: 0,18 (Re)0,6

(pr;)

/'b

(lit. 1 pagina 53).

Voor de berekening van v o op de lege doorsnede moet de

schotafstand gesteld worden. De schotafstand wordt op

- - - -- - - -' , -' " , , 1 , '\~ 2

De lege doorsnede is 1 x 0,o6

=

0,36 m rer uur stroomt

door deze doorsnede 514 kmol gas van :382 oC, dat is

655 '3

514 x 22,4 x 27::5

=

27650 m' luur = 7,69 mo/sec •

v

°

=

6:

~~

= 21,4 mis e c •

0(",

D",,=O ,18

(~6CO_~_

2

1.1.~_~_2J.0~~)0,6

(0,0288 x 10-3x 274 )'h

~ 0,0288 x 10-0 0,01085

~'" :11 1 7 ,7 cal;fu2 sec

oe.

1

Bij 31?oC:

v o:::tl 19, 1 m /s e c •

~

...

D~

0,18

(°1672 _{x 19,1 x}

0,02~)0,6(2.1.026

:)

_{x 10-}3_x

270)

~'

À

0,0263 x 10-3 0,01004

0<",,::: 17,1 ca1,;1n2 sec o~.

~

De totale warmteoverdrachtco~ffici~nt wordt berekend uit:

1 1 d 1

- :. - + -

+

- .

hierin is d de wandd ikte van de pijpen

U /Xi. l\. """,,'

en À het warmtege1eidingsvermogen van het materiaal

van de pijpen. De pijpen zijn vervaardigd van Stainless

steel 430, dat een warmtegeleidingsvermogen heeft van

6 cal,An2s ec

°e,An.

1 """ 1

+

0 ,002 t -U 17,1 6 2 ~ .L = 144o~ • L1 Cl + _u,- 1 ~ ~ 0 • : : 0\.) '..,J . G 2 U 2 = 7,44 ca1;fu sec 0" v . 38

Ul.~ t2 - U2·A _{t l} Ul-A tr) _..., ln 415000 x 1000 = A x ?t?? x 160 x ?~~~~ 144 3600 2 ,:.5 1 'J...,..7? x 160 og 7,44 x 144 <) Hierui t volgt, dat A

=

100 m'"

Het oppervlak van de 800 pijpen is ook gelijk aan:

880 x ~ x Dgem.x L, waarin

lengte van de pijpen.

100 =. [;00 x 1t x 0 ,027 x L.

Di + Du

Dpe,·([ =

<:> l. 2

De lengte van de pijpen is 1,4? m.

en L de

De s cho tafs tand was ges cha t op 0,36 m. \Iord t de dikte van de schotten op 6 mm genomen~ dan zou de pijplengte

moeten zijn 4 x 0,36+ 3 x 0 ,006= 1,46 m. De schotafstand

is dus juist geschat .

Resultaat van de berekeningen:

1° De warmtewisselaar bevat 800 pijpen van 111 inwen-dige diameter en 2 run wanddikte.

39

2° De afmetingen van de warmtewisselaar zijn 1 x 1 meter,

bij 1,46 m tussen de pijpplaten.

40

literntuur

1) h .Yr:;Pflers ,

.T • ['. 0YT ~r ,

('\-"" prj "e"'" Yor'r l'~O)

41

door.!.Ir. :Sos.

Uit de 'Janltebalans over de oven en de stoomketel op

pal3ina 21 tjm 26 vo1C;t, da t:

10 _{de te~peratuur van de cassen, die de oven verlaten,}

11750~_~ ~ h ' _{._car.3ac} t _•

20 _{in de waterpijpen}

_80eo

_{liter water van 20°C tot 150°C}

ryordt opze~3rmd. ~it hetekent, dat aan de waterpijpen

per uur 1040000 kcal r10ct dorden overcedr3cen.

"')0 de oVE'm.'andv81'1iezc:1

or

C:: <)(:0 :~c9li)'J.r E.:cctcld zijn •

.0 e i n '/' e n 0 i rr e af':1 (' tin ;:: e n v', n dca V E: ~; zij n :

1 e

W':

t e = 7 ,C 111

di aYt'] ct er = 1 ,60 )";1

~et kctclvcEdint:;":.'atr::r ",:OTrJt onder de stoomketeldruk,

11,8 ata, door de ~aterpijfen cepompt .

De v'8terpijpen heb'oerl fen inwendice dir1r.1et:er van lt1!

(25,4 rr.r.1) en een uit irendi Le cJiaI:leter van :.':>.3 ,4 nnn

(-rva nd d Lk t e 4 mm) .

In de .1'laterpij!'PrJ vordt Fen ~'ntersnelheid van 1 m/sec tO€:L,:elaten.

ler uur [;aat door de pij:)cn ,('CCC liter '!later, dus

!IJ

-)

0)

yv-=

2,22 x 10 . m jscc .

.--}

.Je iW;Enrlir::e door:3rJE·de '1:]n een ~Jijr' is

i

x jf x

:.:;j:

=

n ~ c

,orden a pijpen lJ~rallel ;'escha}:elè, dan is de 3nel

-1'1 ei d va n het vva ter in dep i ,j pen: v =

C/Jv.

,

"1 - a x OllIJ. per PIJP

2 ~2 x 10-' I 4 4 /

v=a-x~;Ö6xlë=4 ' v = -;-: m sec . 'l.'oegelaten vlOrdt

v = 1 ra/sec, zodat 5 pijpen parallel gescba}:eld moeten ','iord en.

De warmteoverdracht op de waterpijpen berust primair

Ol- s tra 1 i n gen sec u n d a ir 0 Tl con vee tie. Dit pro bIe em

wordt opgelost met de methode van Labo en =vans.(lit.

I).

~eze Bethode heeft een theoretische ondergrond en wordt veel toegerast voor de berekeninc van buizenovens op

raf-finaderijen . Proeven hebben uitce~ezen, dat de bereken-de uitkomsten ±5,~~ met de werkelijkheid verschillen.

De maxiT!wle afv!ijkin;3 badroeL::: 16;~.

De warmteoverdracht door straling kan YfOrden

voorge-steld door:

ril

_'fJ

r-;-J

AI (-

~

-

4)

w

~

r

6 \

I - 12. .

C/Jw:vrarFltE:.Gtroomnoar At in 3tuj11r .

de vJarr.itebron in o ... -' L •

Tl.

= tempEratuur van de ,!rarrrlte-ontvanger in

'f ::

fa c tor', ct i e afha nr:;t van

1° de vorm van de oven en

o

...

i

",0

ct e erü s s i e f [l C tor En V:3 n ct e wa rm een kou ct e l i

-chamen, indien deze niet zwart zijn.

I

R

=

effectieve oppervlélk van het koude lichaam.

42

6:constante vé)n :jtefan Do1tzrr.ann =C,177

Om deze formule voor prnctijkberekeningen te kunnen

cebruiken, moeten vereenvoudigingen worden aangebracht

en moeten enkele aannamen \'"lorden gedaan.

De factor A I \vord t voleens Hottel vervangen door ~Acp'

waarin:

ACp = aequivalente o:pperv18.kte van lar;e temperatuur, n.l .

aantal pijpen x len[te van de pijpen x hartafstand tussen de pijpen. ;"cY'. is het vlak, dat de pijpen

jJ vervGnct.

'" s factor, ':raar;~:ec ~·\Cl) verrnenie'vu.ldL::d moet worden- - . . . . ; ,

mE het effectieve oppervlélk van _{18. G}e temperatuur

Rekening houdende met èe tecelijkertijd optredende

warmteoverdracht door convectie, wordt het probleem

voor-gesteld door:

~w

=

0

.

1]31

[L~)~

-

(Poöf'l

~

A'f

+

ft,e

A

(~-

ï~)

C/Jw=

warmteoverdracht in Btujhr .

I

r

= terrLp. van de verrJrélndincsgassen, die de oven

ver-I R t en I, n O-\ i, •

I~:s temp. van de waterpij:r:en in 0_1. .

R=

totale oppervlal<: vo.n de pijpen in ft2

~(!.,.

warmteovercJrachtscoefficient voor convectie in

13tupr ft2

0

.

-

"

.

~

I-'

=

totale warrnteoverdracbtsfactor .