Processchema van de bereiding van chloor uit HCL: Katalytische oxidatie van HCL-gas m.b.v. lucht

Verslag behorende bij het processchema

van

onder~erp:

L

_~t.. \'

cu . ' , ·~.r·,

PROCESSCHEMA VAN DE BEr~IDING VAN CHLOOR UIT HeL (Katalit1sche oxidatie van HCL-gas m.b.v. lucht)

Produkt. vloeibaar chloor

Grondstof. HCL-gas

Hulpstoffen zwavelzuur

96%

tetrachloorkoolstof Bij produk ten zoutzuur

30%

zwavelzuur 80% 20.000 ton/jaar 28.000 ton/jaar 600 ton/jaar 400

ton/jaar

24.250

ton/jaar

725 '\on/jaar ll. Kronshorst P.B. Verhage november 1965

IJROUD

I Samenvatting van het prooes 11 Inleiding

Toepassingen Yan chloor

Technische bereidingsmoge11jkheden van chloor uit HOL

Economische vergelijking van verschillende

blz. 3 4 4 4 chloorprocessen 6

111 Type prooes, produotiehoeveelheid en plaats 6 IV Beschrijving van het proces en nadere beschouwing

7

van enige ohemische en physische aspecten A.De reactie B.De reactor O.De HOL-e.bsorptie D.Droging B.Chlooropwerking F olIateriaalkeuze V Massa- en warm1:ebalans VI Berekening apparatuur Ac De reactor B. De HCL-absorptie 1. Filmabsorber 2. Gepakte kolom Co Droging 1. Parti§le condensor

2. Droog sect1e m.b.v. zwavelzuur D. Dè chlooropwerking

1. De absorber

2. De destillatie kolom E. Koelers en condsnsors

1. (Gas)koeler (L)

2. De partille oondensor (M) VII Specificatie apparatuur

VIII ti tera tuur

Bijlage AI massabalans Bijlage BI warmtebalans Grafieken 1 tlm 11. 7 8 8 8 9 10 11 12 15 15

15

22 22

23

26 26

32

34 34

35

37 40 • j • • ~ ".,-.

3

-De bereiding TAn chloor uit chloorwaterstof volgens bet katalitiaohe gasfase-oxidatie proces van HeL met behulp van luoht.

I.

Samenvatting van het proces.

In een adiabatisch we.rkende fluid-bed reactor worden HCL-gas en lucht in de stoichiometrische verhouding, bij een temperatuur van 360°C en bij ongeveer atmoapherische druk over een kataliBa-tor geleid, welke bestaat uit een mengsel van koper- en andere metaalchloriden op een poreuze inerte drager. Hierbij treedt de volgende reactie opa

4 RCL t 02 ~ _{2 CL2} + _H20 + I> H

Volgens dit proces kunnen conversies van 15~ bereikt worden bij doorvoersnelheden van ongeveer 100 nL HCL/kg~t.uurtwat ove.reenkomt met een verblijf tijd van ongeveer 25 S80.

Het reactiemengsel wordt in 2 trappen gekoeld van 360°C naar 35°C, waarbij waterdamp gedeeltelijk condenseert en HCL-gaa oplost in het gevormde water. Vervolgens wordt het in het

ga.-mengsel overblijvende KCL verwijderd door absorptie in water in resp. een filmabsorptiekolom en een gepakte kolom, daarna wordt het nu HeL-vrije gasmengsel gedroogd d.m.v. H

2S04 in een

gepakte kolom, waarna het overblijvende gas dat naast CL

2 vnl. nog 5

2 en 02 bevat, bij een druk van 4,2 atm. en een gemiddelde temperatuur van _10oC, in een gepakte kolom, in kontakt wordt gebracht met tetrachloorkoolstof, waarbij het chloor wordt ge-absorbeerd. D.m.v. destillatie (bij dezelfde druk als bij de absorptie) wordt het ohloor gestript van de tetra, daarna

gecondenseerd en vloeibaar opgeslagen. De tetra, die ontdaan ia van het chloor wordt gerecirculeerd.

Het verkregen vloeibare chloor heeft een grote zuiverheid en bestaat ui ti CL₂ 99,94 gew. ~ CO 2 0001

"

°2 0.001

"

N 2 0.02

"

tetra 0.03 tI

Als bljprodukten worden bij dit proces 3o%-ig HeL en

8Q%-ig

H₂SO 4 verkregen.

Ilo Inleiding.

Chloorproduktie op commerc1!le Bchaal vond het eerst plaata aan het eind van de vorige eeuw9 en Tond vnl. plaatst.b.v. , : de bereiding van bleekpoeder o Later werd chloor ook

ge-bruikt ale zuiverings- en ontsmettingsmiddel (bijv. in drink-water).

Omstreeks de periode van de 2e wereldoorlog werden voor chloor vele nieuwe toepassingen gevonden. Hierbij werd vooral het gebruik van chloor bij de chemicalilnbere1ding belangrijk.

(bijv. in 1940 werd 60% van het geproduceerde ohloor gebruikt in de ohemisohe industrie).

In de chemische industrie vindt ohloor momenteel vnl. toepassing bij de bereiding van a

&. ethyleenoxide en glycol (antivries) b. plastics (v1nylchloride)

o. organisohe oplosmiddelen (o.a. tetra, dichloorbenzeen) d. inseoticiden

e. glyoerine (uit propeen via allylohloride) fo pulp-en papierbleking

De verwachting is, dat de vraag naar chloor continu zal st1jgen __

Vérdubbe~ing van de chloorpr~duktie in de komende 10 j.wordt vérwacht.

Momenteel bedraagt de chloorprodukt1e alleen in deU.S.A. al

8

m11lioen short tons per jaar (zie grafiek 1)(lit.

2).

In meer dan 95% van de hedendaagse chloorbehoefte wordt voor-zien door electrolyse van keukenzout. Hierbij wordt tevens

NaOR geproduceerd. Men neemt aan, dat de chlooroonsumptie sneller zal stijgen dan de vraag naar NaOH. In verband hiermee en het feit dat bij veel chloreringsprocessen veel

HeL

als bijprodukt vrijkomt,wordt momenteel intensief gezocht (en is gezooht) naar

processen om chloor uit

HeL

te maken. !!!!idin~ yan o~~~r_uit

HeL

De bekende prooessen zijn ongeveer in

4

groepen te verdelen (li t.

1,

2 ),

1. Electrolyse van

HeL.

Indien goedkope eleotrioiteit aanwezig is, is het een aantrekkelijke methode (Monsantol l.G. Farben) 2. Direote oxidatie van

HeL

met anorganische oxidatiemiddelenl

a. bijT. oxidatie met HN03/~S04 (:l!nailtut Pranoai. du Pet 1.). Men stuit hierbij op materiaalproblemen, terwijl de oxidatiemiddelen goedkoop beschikbaar moeten zijn.

•

5

-De terugwinning van N0₂, sche iding van he,t verdunde zuurmengsel en concentrering van H₂SO 4 zijn technisch onaan trekke lijk.

b o Bijv. met S03. Dit proces verloopt via chloor.ulfon-zuur (HS0

3CL). KIOeilijk ie hiJIrbij de scheiding van 00

2 en CL2 in de la~tl'lte stap (li t. 2). c. Oxidatie van het Weldontype. Hierbij wordt MDP_Z

gebruikt om het HCL te oxideren, waarna het gevormde MnCL

2 met behulp van kalk en lucht weer wordt omgezet

in Mb0₂• Nadeel van dit prooes is het lage rendement

(50%),

aangezien veel ohloor als CaGL₂ verloren gaat.

30 Tweetrapsprocessen met metaaloxiden via metaalohloriden (bijv.

oxiden van Fe, Kg, Ni).

Reactievergelijking. MeO

+

2HCL ~ MaCL

2

+

H20 MeCL2 +

-i0

₂ ~ MeO

+

_CL2

Nadelen. technisch gecompliceerd, terwijl tengevolge Tan de

hoge temperatuur veel metaalchloride vervluchtigt.

4.

Katalytische gasfase-oxidatie van HCL. Z.g. processen van het

Deaoon-type. Hierbij wordt HCL a.b.v. luoht en' inaamre.z1gheid van een kOpArchloride.: be~d~ 'ka,talysator olDg$l5Gt in ohloor.

Het nadeel van het oorspronkelijke Deacon-proces (1~1p) 18, dat de metaalchloriden snel hun activiteit· verliezen, wegen. de vluchtigheid van het materiaal bij de temperatuur waarbij de reactie plaats vindt (400 - 600°C). Dit proces is nooit rendabel geweest ook al vanwege de materiaalproblemen.

J

Gezien de eenvoudige opzet van dit proces (bijv. geen neveDreacti )

zijn vele modificaties van dit proces verschenen, bijv.c

&. Airoo Reduction process (1940). Gewerkt werd tussen 400 -

600°C

met chloriden van zeldzame aarden en ko~r als katalisator. b. Deacon-proces met gesmolten rnetaalchlorideno Gasvormig' HCL en lucht worden geleid over een katalisatorbed van gesmolten FeCL

3 en KCL (I.Go Farben 1939-1944)

c. Shell-ohloorprocee. Hierbij wordt een zodanige katalisator (metaalohloriden op drager) toegepast, dat de reactie bij voldoende lage temperatuur kan plaats vinden (330 - 430~,

zedat hoge oonversies kunnen worden bereikt en de hierboven genoemde nadelen niet optreden.

Onderstaande tabel geeft een economische vergelijking van

verschil-lende chloorprocessen. Als vergelijkingsbasis is een 14.000 tjjaar )1 J/

chloor plant voor Nederlandse condities gekozen.

a. De kapitaalkosten hebben alleen betrekking op de instal-laties, welke rech~streeks bij het proces betrokken zijno

bo De zoutzuurvoeding is op een waarde 0 gesteld, hoewel

deze vaak negatief kan zijn, wanneer neutralisatiekosten moeten worden gerr:aakt.

Shell Deacon Electrolyse IFP

Grondstoffen _{flit Cl 2}

Directe kosten flit Cl2 47 64 92 46

Bijprodulcten _{flit Cl 2} (7)

Vaste kosten _{flit C1 2} 47 60 45 69

Totale

produktie-kosten _{flit Cl 2} 94 124 1,0 115

Prijs af fabriekfl/t Cl₂ 200 200 200 200

Bruto winst _{flit Clt} 106 76 70 85

Investering fl x 10 3.3 4.9 4.6

_4.5

Rentabiliteit 35% .

12%

11% 16~

Zoals uit deze tabel blijkt zijn de fabricagekosten voor het Shell-proces lager dan voor de overige processen en is bovendien de

kapitaal-investering aanzienlijk minder.

lIl. T~ prooes, produktiehoeveelheid en plaat •• Het Shail-chloorprooea.

Gezien het bovenstaande is besloten om hoofdzakelijk het prooès

te volgen, dat door de Shell ontworpen is. Gesteld iB, dat 20.000

ton CL₂/jaar geproduceerd moet worden. Deze produktiehoeveelheid is willekeurig gekozen en is afhankelijk van de hoeveelheid beschik-baar RCL-gaso De fabriek wordt bij voorkeur daar geplaatst, waar RCL-gas voorhanden is, en waar de gevormde bijprodukten (3~1g RCL en 89'ig R

2S04) kunnen worden afgezeto

Om 20.000 ton chloor/jaar te produceren is 28.000 ton HCLfjaar nodig. Opm •• De eoonomische minimum grootte voor een chloorfabriek vlgs. het

Shell-chloorproces is in Nederlan4 momenteel 25 ton BCL/dag,

_,

waarbij de HCL-kosten op 0 worden gesteld en chloor een waarde heeft van fl.200,--/ton.

-

7

-IV. Beschrijving van het proces en nadere beschouwing van enige ohemieche en phl!ische aSp!kten.

A.De reactie

Bij de bepaling der reactieomstandigheden is gebruik gemaakt van de

door de Shell verstrekte gegevens. (lit.1).

•

In aanwezigheid van een kata1isator, bij een temperatuur van 360°C en bij atmotspheris,,~he druk wordt RCL m. b. v. lucht geoxideerd, waarbij de volgende reactie verloopt.

4 HCL

+

02 ~ _2CL2 + 2~0 +~ H (iJ H ... 192 k.cal/kg HCL)

a.Deze oxidatie is een evenwichtsreactie. Tussen de evenwichtakon-stante K en de absolute temperatuur T bestaat de relatie,

log K • 6104.4 - 7,0994. T

Hieruit blijkt dat het werken bij zo laag mogelijke temperatuur

gunstig is t.a.v. de evenwichtsconversie. De reactiesnelheid neemt

echter sterk af bij dalende temperatuur.

b.De Shell is er in geslaagd om een katalisator te vinden, die bij relatief lage temperatuur (360°C) toch een hoge reactiesnelheid opleverto Deze kata11sator bestaat uit een oomplex van metaalohlo-riden (KCL, CuCL enz.) op een drager van 5i0

2 en A1203. De activi-teit en levensduur blijken goed te zijn (geen vervluchtiging). De katalisator is meohanisoh sterk en ongevoelig voor onzuiverheden

in het reactiemengsel. Bij gebruik van genoemde katalisator ligt het optimale temperatuursgebied bij 360°C. Hierbij worden conversie. bereikt van

15%,

bij een verblijf tijd van 25 seo. (de evenwichts-conversie bedraagt 79%~ De specifieke doorvoersnelheid bedraagt dan 164 gram HCLjkg .ka t • luur •

CoDe evenwichtsconversie van HCL kan enigszins worden opgevoerd door een overmaat lucht te gebruiken. Er zit dan relatief minder chloor in het mengsel, hetgeen de opwerking bemoeilijkt. Er wordt dan ook

gewerkt met sto!chiometrische verhoudingen. Het gebruik van

zuur-stof i.p.v. lucht biedt -t.a.v. de evenwichtaoonvers!e geringe voordelen, die niet opwegen tegen de hogere kosten, die ermee

gepaard gaan.

d.Drukverhoging is niet aantrekkelijk. Weliswaar zal de evenwicht __ conversie gunstiger worden, maar daar tegenover staan de veel hoge~ compress1ekosten voor HCL en lucht.

Het gasmengsel heeft de volgende samenstelling na de reactie (in

geW.~)1 HCL

13,5.

_{Cl 2 27,1,}

O

_{2 30, N2 37,0, B20 9,5.}

".

Het proces is opgezet teneinde 20.000 ton Chloor/jaar t. prOduceren,

Bij genoemde omstandigheden ia het reactiemengsel zeer oorrosief. De Shell geeft geen uitsluitsel omtrent de te gebruiken materialen. Een overzioht van materiaal bestand tegen nat chloorgas en met behulp hiervan een keuze van de toe te passen materialen, is in IV F(blz.10) gegeven.

B. De reactor

C.

De reactorvoeding wordt na compressie in Root.blowers tot

1,B

a~.

en na doorloping van een menger in een koeler op een dusdanige tempera-tuur gebracht (36°C), dat de reactor adiabatisch kan werken. De vrij-komende reactiewarmte wordt dus gebruikt om de voeding op

reactie-o

temperatuur te brengen. De reactie temperatuur van 360 C kan gehand-haafd worden door regeling van genoemde koeler.

Een fluidbed lijkt de meest aangwezen reactorvorm. De voordelen van het gebruik ervan hangen samen met de vermijding van "hot spots", de beter uitvoerbare temperatuurregeling en stofoverdraohts&8p8oten. De reactor is uitgerust met een verdeelplaat en een cycloon, welke

laatste berekend produkten worden tantaal gekoeld geraken. De HCL-absorEtie ia na tot

op een gassnelheid van 10 m/sec. De react1e-het verlaten van de reactor in een koeler van

BOoC om uit het zwaar corrosieve millieu 'te

Het gasmengsel wordt in een parti~le condensor van Haatelloy-C door-gekoeld tot 35°C. Hierbij vindt condensatie plaats van nagenoeg alle aanwezige waterdamp, waarin ongeveer

1/3

van het HCL in oplost. Het blijkt dat een 33%-zoutzuuroplossing in evenwicht is met het resterende gasmengsel. Dit wordt geabsorbeerd in water.in 2 fasen. 2/3 van het nog aanwezige HeL wordt geabsorbeerd in een filmabsorber, die ge-koeld wordt. Het afvoeren van de ontwikkelde warmte is n.l. de reden, dat niet volstaan kan worden met een gepakte kolom. Het resterende HCL wordt in een gepakte kolom met water geabsorbeerd. Er wordt zoveel water toegevoegd, dat in combinatie met de 3~ oplossing van de

oondensor, juist een

3<>%

zoutzuuroploss1ng gevormd wordt, die als bij produkt wordt afgezet.

D. Droging

Om redenen van economische aard vindt de droging van het ga8me~gsel

in 2 fasen plaats. De van de HCL absorber afkomstige gasstroom, die bij ?20C verzadigd is met waterdamp, wordt in eerste instantie gekoeld m.b.v. freon-12 tot 5°C. Hierbij condenseert 3/4 van de hoeveelheid waterdamp.

9

-De 2e fase bestaat hieruit, dat het overblijvende gasmengsel gedroogd wordt in een gepakte kolom met 1 in oh Berl-sadé.la, met geoonoentreerd

zwave 1 zuur 0 Een in de handel voorkomende concentratie van

96"

H

2S0

₄

11'Qrdt hierbij verdund tot een gangbare concentratie van 8~. Het 8~1g

zwavelzuur wordt als bij produkt afgezet. Het blijkt noodzakelijk het zwavel.uur te recirouleren i.v.m. de benodigde vloeil.'ltofstrooJl, die in staat moet zijn de pakking voldoende te bevoohtigen.

E. Chlool'Op1!!rkin&

Bet resterende reaot1egas dat uit de droger aanstroomt bevat 4~

stikstof, 4% zuurstof en 48% ohloor. Teneinde dit gaamengael in de oomponenten te scheiden staan twee mogelijkheden open. De eerste is een reohtstreekse gefractioneerde condensatie. Dit heeft ala bezwaar, dat het gasmengsel zeer diep moet worden gekoeld onder druk, teneinde weinig chloor te verliezenu De tweede methode is de absorptie

van

het ohloor in een oplosmiddel, waarna de oplossing gescheiden wordt door destillatie. De tweede methode bleek in eoonomisohe opzicht de meest verantwoorde. (lit.

3).

Tetra is als oplosmiddel het meest gesohikt door zijn grote chemisohe stabiliteit en zijn goede oplosbaar-heidseigenschappen toa.v. chloor. Het ga.mengsel wordt ineen gepakte kolom van konstruktiestaal, gevuld met

t

inoh Berl-aadlea met tetra

1 /

in tegenstroom gestript. Het ga.mengsel wordt eerst in een trap

gecomprimeerd tot 4,2 atm. en daarna tot 300 gekoeld ~~r het instromen in de kolom. Dit oomprimeren biedt

3

voorde1enl

a. De drijvende krach:t der absorptie illl veel groter b. Boven in de kolom verdampt minder tetra

00 De destillatie vindt nu zonder extra pompkosten met guna1ige druk plaats

Het tetra heeft om twee redenen een telliperatuur van _20oC boven in de kolom. Deze zijn.

a. Er verdampt minder tetra

b. De oplosbaarheid van chloor in tetra bij lagere temperatuur is beduidend groter (grafiek nr. 2).

De kolom werkt adiabatisch, àodat de temperatuur onder in de kolom hoger wordt (5°C)0 Hierdoor wordenonder in de kolom verwaarloosbare

hoeveelheden stikstof en zuurstof opgelosto

De chloortetrabplossing wordt na warmt.uitwisseling met het recirculerende bodemprodukt op kooktemperatuur

(68°q

bij 4,2 atm. de destillatie-kolom ingeleid. De dest1llati9kolom is een gepakte kolom, gevuld met 1 inoh

Raaohig-ringen. Het topprodukt wordt bij 5°C mob.v. freon-12 gecond.n8ee~ waarbij vrijwel zuiver chloor wordt verkregen.

Fo Materiaalkeuze.

Gezien de corrosiviteit van (nat) chloorgas bij hogere temperatuur

neemt de materiaalkeuze een belangrijke plaats in. Uit de literatuur

(lit.2,12) is het voleenàe overzicht opgesteld van materialen, die

gebruikt kunnen worden in aanwezigheid van nat chloorgas.

temperatuur tot 1500C tot 100°C tantaal titaan chlorimet 3 lood platina glas ge8mailleerd staal keramiek Hastelloy-C

Duri·:hlor met

3

%

Mo

zilver hard rubber teflon

gelmpregneerd grafiet

Droog chloorgas is veel minder corrosief, zodat een ruimere

materiaal-keuze aanwezig is, bijv. Ni (tot

500

oC) , roestvrijstaal (tot 3000C),

kooletofataal, koper(tot 2000C).

Omdat zo weinig materialen bestand zijn tegen nat ohloor~as bij hoge

temperatuur wordt direct na de reactie gekoeld. (in 2 trappen)resp.

van 3600 - 800C en van 800 - 350C). Volgens de tabel is boven 100°C

alleen tantaal goed bruikbaar. In de reactor is d§n ook een

tantaal-bekleding gebruikt, terwijl de eerste gaskoeler na de reactor 1s

uitgevoerd met tantaalpijpen. Gezien de hoge temperatuur, 1s het

raadzaam om regelmatig dit materiaal te cQntroleren en indien nodig te vervangen.

Beneden 100°C is de materiaalkeuze eenvoudiger. Voor de tweede koeler

na de reactor ia Hastelloy-C gekozene

De HCL-absorptie (bij een gemiddelde temperatuur van 40°C) geschiedt

in een filmabsorber van ge!mailleerd staal met pijpen van.gelmpregneerd

grafiet (goede warmteoverdracht)o Het overblijvende HCL wordt in een gepakte kolom van ge8mailleerd konstruktiestaal afgescheiden van het

gasmengsel. De droging geschiedt bijv. ook in een apparaat van

gelmail-leerdstaal of in een met lood bekleed apparaat.

De opslag van vlöeibaar chloor kan in apparaten van ~oon

konstruktie-staal geschieden, terwijl ook de apparaten gebruikt na de droging.

- 11

-Voor een overzicht van de m&Ssa- en warmteatromeu, sie

bijlage A en B.

Onderdelen van de massa- _{en warmtebalans zullen,waar nodig,}

Uit-voeriger besproken worden bij de desbetreffende onderdelen van

het verslag.

•

.

~"'!?'" ' . , ;)' l.~.;.i

VI. Berekening apparatuuro

A •. De reactor.

Ui tgaande van de in IV. A. en B. genoemde gegevens is deze berekend. Eerat wordt het volume van het "lege" deel der reactor berekend m.b.v. de te berekenen volumestroom en de bekende verblijf tijd van

25 sec. Bij de reaotorinlaat wordt de volumestroom gevonden uit de volgende waarden.

HCLe 0,97 kg/sec. c.m. 26,6 gmol/sec. luchte 0,91 kg/sec. c.m. 31,6 grool/aec. totaal a 58,8 gmol/seo. ( ~1)

Bij de reactorui tlaat wordt op de zelfde wij ze gevonden.

~ 2 • 51,5 gmol/seco

Er wordt gewerkt met de gemiddelde molenstroome

~3 • i(~1

+

~2)

=

54,8 gmol/sec.

Het volume van ~t1n grool. bij 1,8 atm,,- en 360°C bedraagt.

8 -3 3

y • 2,6 • 10 m ~

De gemiddelde volumestroom bedraagt dUBI

-v -

V •

~3

- 1,56 m3/sec. Het "lege" deel van het reactorvolume (V

1) wordt gevonden door de volumestroom te vermenigvuldigen met de verblijf tijd.

V1 - 1,56 • 25 - 39 m3•

Het werkelijke volume kan eerst gevonden als de porositeit

(i)

bekend is.

De L.H.SoVo bedraagt 164 gr. HCLjkg kato/uuro

stel de benodigde hoeveelheid katalisator be.draagt x kg.

x c

~

=

2

1,3

0 10

3

kg

Too-Van de katalisator zijn onvoldoende gegevens bekend. Aangenomen mag

worden dat deze het best vergeleken kan worden met een kraakkata11saior met deeltjes van 150 ;4( diameter en s.g. van 2,50 103 kg/m3 (11 t. ) p met een porositeit·, op het punt van expansie va.n~ mt'" 0,650

De gevonden hoeveelheid katalisator neemt een volume in van~

3 3

V2 • 21.3 •

18 •

8,6 m 2,5 0 10

, Het totale reactorvolume bedraagt.

3 Vtot • V1 + _{V2 • 39}

+

8,6

=

47~6 m

13 -V

De porositeit bedraagt.t. 1 • 0,82. V

1

+V

2

Uit de tot nu toe bekende gegevens kan de flu!disatieanelheid, betrokken op de lege reactor, berekend worden met onderstaande formule ~ 11 t. 5 ) I 1

50

(1 -

E

)

'1.

V f

E!

d t

2

(a) Hierin iea

L

•

de poros! tei t van het bed in de gegeven toestand.

f.

0,82

-6

d is de katalisatordeeltjesdiameter. d • 150 • 10

m.

de flu!disatiesnelheid betrokken op de lege reactor in m/see. de dichtheid van het gasrnengsel.

f

f • 1 t 13 kg/m3•

de dichtheid van de katalisator.

f

•

2,5 x 103 kgJm3

s 2

de versnelling van de Bwaartakraoht. g .

9,8

mlseo •

-6 _I

1

is de visoositeit van het flu!dum. ~ •

29,5

•

10

k~ . . &o De visoositeit wordt voorgesteld door de som der visoositeiten der componenten, vermenigvuldigd met de resp. gemiddelde molfractiea. Wanneer deze waarden ingevuld worden in (a)Jlevert dit voor VI'

na oplossing der ontstane vierkantsvergelijking. V_f • 0,34 m/see.

De lengte der reactor volgt hier onmiddellijk uito

L • V

_f • t •

=

0,34 • 25 •

8

,5

•

Bet oppervlak van de doorsnede bedraagt.

o =

V

tot c

5,60 .2

-y-Hieruit volgt voor de reactordtameter.

D

c

2,66

lil

De

L/D

-verhouding bedraagt dus

3,2.

Dit is een in teohnisoh opzioht zeker realiseerbare grootheid.

Er zal nu onderzocht worden wat de verhouding is tussen de gevonden flu!disatiesnelheid (V_f ) en de minimum fl.!disatiesnelheid (V_mf).

De ze verhouding moet tussen de 4 en 8 liggen, teneinde een goede werking van het bed te verkrijgen. De minimum flu!disatiesnelheid wordt eveneens gev~nden m.b.v. formule (a). De ~vengenoemde waarden kunnen allen gebruikt worden met uitzondering van de porositeit

([mf

D

0,65).

Ingevuld in

(a)

levert dit voor

V.

t '

V

mf •

0,083

m/ ••

o.

De verhouding tussen V

f en Vmt bedraagt dust V

IV

mf • 4, 1 •

I·

Bij deze snelheid treden in geringe mate "slugging", "ehanneling"

en "baakmixing" op. De gevonden flutdisatiesnelheid is dus

aan-vaardbaar~

De drukval over de reactor wordt berekend met behulp van

onder-staande formule.

Hierin is.

P 1s de drukval over de reactor in N/m2

L

is de reactorlengte.

L.

8,5

m •

[ 1s de porositeit. • 0,82

~s is de dichtheid van de katalisatoro

ff

is de dichtheid van het fluldum.

- 2,5 0 103 kg/m3

s

f - 1,13 kg/ m 3

g is de versnelling van de ~aartekracht. g -

9,8

m/sec. 2

Deze waarden ingevuld in (b) leveren voor,t,Pc dP • 27 • 10.'\7/m2 •

15

-B. De HCL-abeorgtie

1 B"ij de absorptie van HCL in water komt veel warmte vrij. Om deze warmte goed af te kunnen voeren, wordt de absorptie uitgevoerd in een zg. f1lmabsorber, waarbij de absorptievloeistof in gelijkstroom is met het gas (dit om"flooding" te voorkomen).

Het bleek gunstig te zijn om ni0t de gehele hoeveelheid RCL in deze sb-80rber te absorberen, maar ook een gedeelte van het HCL uit het gasmengsel te verwijderen in een op de filmabsorber volgende gepakte kolom, waarbij water als absorptievloeistof optreedt •• Het verdunde HOL, dat uit de gepakte kolom stroomt, wordt gebruikt als absorptievloeistof in de filmabsorber. Deze kombinatie van filmabsorber en gepakte kolom is volgens lit.6 geschikt voor verdunde gassen ( 40 vol.~ HCL).

In lit~

7

wordt aangeraden om 50 tot

80%

van het HCL in de filmabsorber

te absorberen en

50

tot 20% van het HCL in de gepakte kolom. Nadere beschouwing van de massa- en warmtebalansr

Voor de balansen zie bijlage~ A en B.

Voor bepaling van de massa~ns is gesteld.

a. '2/3 deel van de hoeveelheid HCL wordt in de filmabsorber geabsorbeerd.

1/3

deel in de daaropvolgende gepakte kolom.

b. De HCL-oploasing, die de absorber verlaat, heeft een conoentratie van 2Bt

gew

.

%

.

Deze HCL-oploss1ng, gemengd met de RCL-oplossing, die

ge-o

vormd 1s bij de afkoeling van het reaotiemengsel tot

35

C, levert samen

ten 30

gew.%

HCL-oplossing.

c. De temperatuur in de absorber daalt tot 30oC. Aangenomen wordt hierbij dat water gedeeltelijk condenseert.

d. De oplosbaarheid van andere gassen dan HCL (02' N₂, CL₂) in water is verwaarloosbaar.

e. De waterdampspann1ng in het uit de filmabsorber tredende gas is ongeveer gelijk aan de verzadiede waterdarnpspanning bij 30°00

f. De drukval over de absorber is verwaarloosbaar klein. De druk is

1,5

atmo Bepaling hoeveelheid water in het gas~ dat de abs"orber verlaat.(stroom 9) Deze hoeveelheid is nodig om de ma~~sabalans volledig op te kunnen stellen. In een H

20-HCL mengsel, dat 28,5 gew.~'f HCL bevat, behoort bij 30 o

C, een evenwichtsspanning van H20 van PH2Û - 11 mm Hg.

Hieruit volgtl YH2Ü

--11-

=

10-2 Y • molfractie in het gas.

1140

stel in de filmapsorber is x k.mol/sec. H

Dan geldt. Y 11: P - x, ',-11. ,rin p '" q - x

hoeveelheid H₂0 in stroom 6 • -2 / 0,04 • 10 kmol sec. q . de totale hoeveelheid gas/seo. in

stroom 6 - 2/3 deel van HCL in stroom 6 • 3,86 • 10-2 kmol/sec. Deze wê,ardel1 ingevuld levert voor xa x 11: 0,14 • 10-4 kmol/sec"

Deze hoeveelheid is te verw2arlozen, waardoor de hoeveelheid water/seo.

in het uitlaatgas 0,04 kmol/sec. wordt. D.i. 0,007 kg/sec. b. Uit de Uwater"balans over filmabsorber plus gepakte kolom volgt

dat de concentratie van stroom 10,12 gew.% HeL is. o. Berekening partiaaldruk van HCL in uitlaatgas (P

RCL).

Er geldtl PRCL - Y_{RCL •} P, waarin P

=

totaal druk.

-2

PRCL - 4,1 • 10 • 1140 • 46,7 ~ Rg.

De evenwichtsspanning van de 28,5 gew.% HC1-oplossing, die de

absorber verlaat is 12 mm Hgo Deze druk is dus lager, zodat de

aanname dat de vloeistofstroom 28,5 gew.% is, gerechtvaardied is.

d. Om de hoeveelheid warmte, die in de filmabsorber ontwikkeld wordt en die afgevoerd moet worden met koelwater~te kennenImoet men de

enthalpie waarde van de inkomende absorptievlo~istof weteno Deze abaorptievloeistof is dezelfde als de vloeistofstroom, rlie

de gepakte kolom verlaat.

Uit de enthalpiebal[OYis ove::: ':e~(' ge~)al(te kolom volgt data ;1 = 2~)~" 1 l:J

l

:r;

abs.vlé~t.

De sterkte van de RCL-oplossing (absorptievloeistof) 1s 12

gew.%.

Bit volgt uit de massabalans. Volgene lito14 heeft een 12

gew.%

HCL-oplossing met een enthalpie van 225,1 kJ/kg een temperatuur van 610C 0

M.b.v. tabel uit lit.14 blz. 268 is de enthalpiebalans over de filmabsorber nu eenvoudig te beyaleno Uit deze balans volgt dan

dat de met het koelwater af te voeren warmte over de filmabsorber . gelijk is aan 242,3 KW.

~ Berekening grootte van filmabsorber.

De grootte van de absorber hangt samen met het uitwisselend opper-vlak A.

I· I I

!

i

I

I

I

I

•

17

-Volgens lit.7 geldt.

(1) N1 - N2 - Kg" (~P)rek.A,

(2)

waarin N₁ - N

2 co krool/uur overgedragen HCL • 11,04 kmol/uur.

AP k • het rekenkundig gem..' _re van bei; HCL '

dampapan-ningsverechil aan begin en eind van de kolom. 0,11 at~.

K co stofoverdrachtscolffir.ient betrokken op gasfase,

g

waarbij voor K de volgende formule

g

K _ °f07~2 • ~) lbs/uur,ft2

g M '

1

geldt.

waarin

M •

het gemiddeld mol. gew • •

39

fO

·

dichtheid van het gas.

2,25

ke/

m3

v • gassnelheid in de pijp. 10 m/eee.

-2 D c diameter buis - 2,5 • 10 m

-6 / 2

1

·

viscositeit gas ..

15 •

10 Ns m

Om A te bepalen, wordt allereerst Kg berekendo De.gegeven waarden

omgerekend in Engelse eenheden en ingevuld in vergelijking (2) levert

2

K - 0,77

Ibs/uur, ft Deze K g g

• 3,88

kmot/uur,02

waarde ingevuld in vergelijking

2

A zo 26 m

(1) levert.

Voor de snelheid van het gas in de pijpen geldt,

v =

~v

co

~m

,w'.;;rin 0 ..

O;-ot

tiö

n ..

opp. doorsnede van ~'n pijp

aan tal pij pen

~ c massastroom • 1,620 kg/sec.

m

De waarden ingevuld in bovenstaande vergelijking leveren' n - 147.

De lenb~e

L

van de pijpen vol~t uit.

A co n • JDL.

Hieruit volGt dat L a 2,3 m.

Opmerking. Voor een goede bevochtiging van de wand van de pijpen geldt

(lit.6 ) dat voor erafietpijpen het aantal kg. vloeistof

per uur, per meter omtrek van ue pijp minstens 75 en

maximaal 500 ie.

De hoeveelheid vloeistofjdie door de pijpen van de

film-absorber stroomt is 1714 kg/uuro

De totale omtrek van de pijpen ie 11,54 m, waaruit volgt.

hoeveelheid vlst./uur,m • 155.

Diameter van filmabsorber

-De grafietpijpen hebben een inwendige diameter D. • 25 mm en een

1

uitwendige diameter Du • 40 mrn.

D1 • M • t

t .,. steek

k • factor afhankelijk van

hot aantal pijpen.

Voor

147

pijpen is

M .,. 12,4.

stel t

=

1,5 • Du D 60 mm. Hieruit volgt D1 • 744

2 • 0,5D • 40 u 2 • Y

=

1,5 • t

=

90 mDl.

"

"=

~binnenwerks

874 mm Stel d a 8 mm dus d

mantel . , 'Oui tenwerks • 890mm.

Diameter ~a8inlaat filmabsorber

~

• 0,72 m3/sec. Stel v a 10 m/sec, dan is de oppervlakte van de

v 2

doorsnede van de gasinlaat D 0,072 m.

Hieruit volet dat de diameter is 30 cm.

Hoeveelheid koelwater filmabsorber

Tegenstroomproces, waarbij koelwater bij 20°0

Warmteoverdrachtsco~fficient

U • 600 w/m2,oC.

onderin de kolom treedt .. ,

~ • 242,3 kW

1f

Oppervlak van de pijpen A D 26 m 2 •

Deze waarden ingevuld in ~w .. U.A. T!T)lO geeft ~ln • 15,5°0.

Het gas stroomt in de kolom met een temperatuur van

35

ÖO en de

absorpt1evloeistof met een te:peratuur van 61°C. De temperatuur

, 0

bovenin de kolom 1s dan ook niet goed bekend o Stel deze 1e 50 O.

Uit

óT

ln is eenvoudig T1 te bepalen, d.i. het temperatuurrersch11

tussen he't uitstromende wa ter en het intredende gasvloeistobnengselo

°

T₁ • 23 C, dus de temperatuur van het uitstromende water.

50 - 23 • 27°c.

De hoeveelheid toe te voeren koelwater volgt uit.

~ co ~ • 0 • fj. T 242,3 • ~ • 4,2 • 7.

1f m p m

19

-2. BORaling _{grootte gePakte kolom voor}

_ReL

_absorptie

De diameter.

De diameter van de kolom _{wordt bepaald door de hoeveelheid gaa,}

die door de kolom moe_{t stromen. De gassnelheid waarbij "tlooding"}

in _{de kolom optreedt, kan berekend worden volgens lito8}

De toren is ontw_{orpen voor een gassnelheid, die 5~ ls van de}

snelheid, w8.arbij "flooding" optreedto

Gekozen is een kolomvulling van 2 _{inoh Rasohig-ringen van keramisch}

materiaal.

Volgens l1t.8geldt voor de gassnelheid waarbij "tloodin~' optreedt

de volgende relatie. G/

~

)

«(

L' )0• 2 I go

fv

fL

•

OL

fv

0,5 ( - ) OT

fJ,

waarin. 0v - massastroomdic_{htheid van het gaa in lb/uur,ft}2

Ot •

mass&stroomdichtheid van _{absorptievlstoin lb/uur,tt2}

~L

• diohtheid van vloeis_{tof in lb/tt3 • 64,3}

~v

- dichtheid van gas in lb/ft

3 • 0,138

1L -

viscositeit ln~ises - 0,6

g '-_c =_{faotor ls 4,17 • 10}8_{rt.lb/lbt.uur}2

Voor 2 inch Raschig-ringen ls1

L

-

porositeit a 0,74

a

v• oppervlakte pakking per eerihe:1d kolomvolume _ 28

tt,

2

/rt

3

De relatie tussen he_{t linker en het rechter lid van bovenstaande}

verge-lijking is in een grafiek uitgezet in lit.

e

_{grafiek 16.1}

De waarden inge_{vuld in het rechter lid leVeHJl'}

°

°

3 (0 .138 )

..!

(...! )0,5 a 0,0138

°v

L

• , 64,3 waarbij

° .

\

OL

_{vloeistofstroom} (deze zijn L

a-OT-

_{v v} gasstroom bekend uit de m&ssabalana

Volgens genoemde tabel 16.1 komt deze wa_{arde overeen (voor 2 inch}

Rasohig-ringen) met een waa_{rde voor het linker lid van}

_0,23.

De(andere)waardeningevuld in he_{t linker lid van de vergelijking}

geveiu

G: .. 0,23 ( 4.11 • 108 ) •

O~1~8

• 64.3 • (0,14 )3 28 • (0,6 ) ,

Dit uitgewerkt levert. 0 c 3642 lb/uur, ft2•

v

De gekozen gassnelheid is

So;

1a

van de snelheid, wélarbij "floodingll

optreedt, d.i. dUB 1821 lb/uur, ft2•

De diameter D van de gepakte kolom volgt uit.

G '

t

7D2 •

a

V .. 1~509 • 3600

1 21 • 0,454

v

Hieruit volgt D • 2,9 ft • 97 cm.

De lengte (z) van de gepakte kolorr. is te berekenen met de volgende formule (lit.

7 ).

Deze formule geldt voor verdunde gassen:

z - Om (P1 - P2)

K_g8_vP· EPln

, waarin: K Cl 0,00 2 • G 0,8

g v

K ,.

stofoverdr

aG

hts

c

o~

"

fident in lb.mol/uur,ft2.atm.

g 2

G

m • ls aantal molen gaB, dat door de kolom stroomt/uur,ft c 46,8 lb.mol/uur,ft2 P2,P1c partiaal spanning van het HeL in atm. bij resp. inlaat

(0,06 atm.) en uitlaat van kolom (O,0001)atmo)o Hierbij is

gestald, dat het gas dat de gepakte kolom verlaat nog 0,01;'~

HeL bevat.

~l log. gem. van het drukverschil • 0,0069 atm.

n

=

2 3

a

v p

D oppervlakte van pakking/volumeeenheid kolomvulling .. 28 ft Ift • totaaldruk,

1,5

atm.

Berekening van K met bovenstaande formule geeft. g

K .. 0,002(1821)°,8 a 0,81 lb.mol/uur,ft2,atmo g

Bovenstaande waarden ingevuld in de vergelijking voor de hoogte van de kolom geeft a

4

6

8 (0,06 - 0,0001 )

z.. _{0, 1 .} ~

28

_{• 1,}

5

_{• 0,00}

6 "

₉ 12,2 ft. ,. 3,66 m. Drukval over de gepakte kolom.

- 21

-G G

.ê.2 • m (1 0-8 ) (1

cf

..l!

)....!

z ~L

r

v

Hierin is voor 2 inch Raschig-ringen.

m ... 11,13

n • 0,00295

De waarden in bovenstaande vergelijking inge~ld levere ••

2

~ 11 13 (10-8) (10°,002 95 (546/64,3) 1821

~ a ,

0,138

Uitgewerkt levert ditl L)p • 3.3 lb/ft2

=

0,017 atm.

c.

Droging

1.De parti~le oondensor

Het met waterdamp verzadigde gasmengsel wordt hierbij tot 5°C m.b.v. freon-12 gekoeld, wnarbij ongeveer

3/4

van het water oondenseert.

~ij de berekening der oondensor is veronderstel4, dat geen chloor, stikstof en zuurstof in het water oplossen. Dit is een redelijke aanname, aangezien de oplosbaarheid van chloor in water bij 50C slechts 0,1 gram chloor in 100 gram water bedraagt. De oplosbaar-h.9den van stikstof en zuurstof zijn veel geringer.

~erekening van het watergehalte (x) in g.mol/sec.

gasstroom (13)-x x t A Hierin is. PH 0 2 a -p

A is de inerte gaestroom.

(a)

A a

36,4

grool/aso.

in de uitstromend.

PH 0 is de evenwichtsdampspanning van water bij

5

0C. Pg 0·6,5mm

Re

2 2

P is de totaal druk., P a 988 mm Hg

De.e waarden ingevuld in (a) leveren voor

x

I

x •

0,240 gmol/Bec. (Dit is

4,3

gram/seo). De massabalans over de condensor kan nu op-gesteld worden (zie bijlage Jo)

De warmte (~ _w ), die door het koelmiddel (freon-12 van OOC) moet worden onttrokken, wordt bepaald door de mate van afkoeling

van

het gas (~w1) en de condensatiewarmte van het water (~w2). PY1 •

~m

• Cp .óT • 18,3 kW

P

w2 •

Pn

0 • rH 0 - 27,5 kW

2 2

Hierui t volgtl Pw • ~W1

-+

~w2 • '45,8 . ."kW

Om de hoeveelheid uitwisselen~ oppervlak te berekenen is gebruik ge maak t van de formule I

A •

~'"

o:::--~

U. oT ln.gem.

Hierin iSI 2

A is het uitwisselend oppervlak in m •

U is de totale

warmteoverdra

c

ht8oo~ff1

c

1ent.U

• 40 W

~

;oC

m2

AT ln.gem. is opgebouwd uit b T

1 (fT °C) anAT2 (5

0

C) .à'l' ln.gem._~oC.

23

-2. »roog sectie m.b.v. zwavelzuur.

:Bij deze droging, die plaats vin·!t in een gepakte kolom, gevuld met 1 inoh Barl-zadels, wordt een 96~zwavelzuuroplo8sing verdund

tot een BÛ%-Oplossing.

:Bij de berekening der adiabatisoh werkende kolom moet in eerste

in-stantie met het volgende rekening !lorden gehouden.

a. het optredende warmteeffect mag geen hoge temperatuur tengevolge hebben,

b. De vloeistofstroom moet groot genoeg zijn om de pakking goed te bevochtigen.

a) wordt bij de warmtebalans besproken, waarbij blijkt dat het warmt.-effect gering is.

T.a.v. punt b) kan gesteld worden, dat de verhouding tussen gas- en vloeistofstroom veel te groot wordt als het zwavelzuur in ~dn doorgang wordt verdund. Hierbij zou een lange, dunne kolom gebruikt moeten worden,met dien gevolge dat "flooding" optreedt.

Een oplossing wordt gevonden door het zwavelzuur te reoirouleren. Uit lit.7 volgt dat de zwavelzuurstroom minstens 0,6 kg/sec. moe't bedraeen bij de gegeven gasstroomo

Dom.v. een ·'Trial- and . Errorltmethodeis de reoiroulatieverhoud1ng bepaaldo

:Boven in de kolom stroomt een BO,5%-oplossing in, die verdund wordt tot B~o

De massabalans kan nu opgesteld worden (zie bijlage A )0 De dampspanning van B~ H

2S04 van 15

0

C bedraagt 0,15 mm Hgo

Dit komt overeen met een hoeveelheid, die wordt meegevoerd (stroom 20) van 0,1 gram/seoo

Stroom 20 wordt nu gevonden uit stroom 130

Stroom 19 wordt gevonden door te stellen, dat een 80,5%-oplossing door opname van 4,2 gram water verdund wordt tot Bo%o

De overige stromen zijn nu eenvoudig hieruit af te leideno

De diameter van de kolom wordt bepaald volgens de methode, zoals

beschreven bij de HCL-absorptie (B)o Er wordt een gassnelhaid gekozen, welke

50%

bedraagt van de snelheid, waarbij Itflooding" optreedt.

Deze laatste (Ov') bedraaet voor deze omstandigheden. 2

Gv' • 1,82 kg/m seco

We kiezen dus een gasstroom 0- van 0,91 kg/m2sec.

v

Het oppervlak van de doorsnede (0) wordt gevonden, zijnde de verhouding 'ussen de totale gaastroom (0)

o •

SL. ..

1.cl2 •

1,59 Gr,~

~ I

j

,

Hierui t volct de diameter iler kolom (D) - 1,42 m

De met deze diameter gepaard gaande vloeistofstroom (a.t) bedraagt.

0l a 0,42 kg/m2 sec o Bij deze volumestroom wordt de pakking voor

75% bevochtigd (lit.7)Q

Aangenomen wordt dat de stofoverdrachtsweerstand in de

vloeistof-fase te verwaarlozen is t.oov. die in de gasfase, vanwege het feit,

dat de diffusieodlLiîcient van water in hooggeconoentreerd zwavelzuur

groot iso

De ga.faseBtofoverdrachtsoo~fficient (K ) wordt gevonden m.b.v.

p

onderstaande formule (lit.7)8

K • 0 04 (...!..) (vdf )-0,25 (.-?2. )0,5 p , RT

1

.rif)

P

PBM

p

(r.

1 ) '(0)

BM

Bovenstaande relatie geldt voor een z.go "standaard natte-wandabsorber"o

De gevonden K' dient met een pakkingfactor (f) te worden

vermenigvul-p

digd om voor een gepakte kolom geldingswaarde te hebbeno

In formule (0) isa

v is de gassnelheid. v

=

8,7 • 103 ft/uur.

R ie de gasconstante. R a 1,318 B.ToU./lb.mol.oC

T is de absolute temperatuuro T - 283~

d is de diameter van de standaardkolom.

fO

is de dichtheid van het gasmengsel.

~ is de viscositeit van het gasmengsel.

d • 0,083 f i •.

• 0,105 lb/ft3

• 0,028 oentipoise

2

• 1,01 ft

luur.

1) is de diffusieco~fficient van water in lucht •

Deze waarden in (0) ingevuld leveren voor KI I

K'

P P • 0,218 Ib.mól/uur.ft

2 /

atm.

De pakkings factor (f) bedraagt voor 1 inch Berl-zadels. f - 2,7.

2

Hieruit volgt voor K • K • f.K' a 2,7 • 0,218 • 0,59 lb.mol/uur.fi

/atm.

p P P

De stofoverdràcht in de gasfase wordt voorgesteld doora

(d)

Hierin iSI

N is de molenstroom, die geabsorbeerd wordt in lb.mol/uur

parti~le

stofoverdrachtsoolfficient.

K

-0,591b.mol/uur.tt?atm.

p

K is de

P

p cis de ter plaatse heersende waterdamppartiaaldruk in atmo

Pi is de waterdampdruk S4.t'\.het grensvlak in de gasfase. Deze 18

constant over de kolom. Pi

=

1,32 • 10-

4

atm.

A is het uitwi0selend oppervlak in tt2•

Aangezien Pi constant is kan men de vergelijking als volgt integreren.

N - K-_p • PI _n.gemo • A (e)

.._ 25 .._

-Hierin iSI

L:l?

ln.gem.

=

Pi - P2 P1.

a

,4.10 -4 atm.

In

~

r

-4

Hieruit volgt Ä ln.eem. a 3,04.10

N • 1,86 Lb.molo/hrc

In vergelijking (e) ingevuld levert dit voor

A

I

6

-5

P2 c 6~ .10 atm.

2

A • 10.400 ft •

Het percentage bevochtigd oppervlak bedraagt

75%.

,

, 2

Het werkelijk benodigde oppervlak bedraagt duel 19;~5

-

13300 ft •

Het specifiek oppervlak van 1 inch Eerl-zadels bedraagta S • 76 tt2

/ft

3•

De inhoud

Di t levert

(I)

van de kolom bedraagt dus.

I - 13.300

= 93,5

ft 3

=

5,10 m 3 •

76

een hooete (H) van de kolom van I

H.

r-..2."JQ"

3,22 m

ë

1,59

Volgens de methode van blz., 20 wordt de àru1cval in de koloT" l>c=-ek'~nd.

-3

DeBe bedraagt 3,,0 cm H₂0 of 3;,0, • '10 atm.

Bij de berekening van de warmte balans wordt aangenomen dat de

meng-warmten t.g.v. concentratieveranderingen van het zwavwlzuur

verwaarloba-\

baar zijn.

"

De temperatuur van het zwavelzuur is onder en boven in de kolom dezellde,

-aangezien er in de recirculatie geen noemenswaardig warmteeffect optreedt. Er mag worden aangenomen, dat het gasmengsel boven in de kolom dezelfde, temperatuur heeft'als hèt navelzuur. De

ingangateDlJle-o ratuur van het gas bé~raagt

5

C.

De vrijgekomen warmte door condensatie van het water ~w1) wordt dUB gebruikt om het gas te verwarmen ~w2).

~w1

-

~2

'

O

• :rH 0 • 10,5 KW.

~

.

_w

2 •

Cp _gem

T.)i

_"

J

_m

. 10,5 KW

(f)

Cp • 0,21 kcaljkg mengsel gem.

f6

_{m •} 1,446 kg/sec.

Inb~vuld in (f) levert dit voor T. T.

aOc.

De uitgangatemperatuur van het gas bedraagt dus 130C. De temperatuur van het zwavelzuur bedraagt eveneens 13~

])0 De chloo~pwerkill§.

De maaaabalans van d~ze sectie kan worden opgesteld indien men het

volgende vastlegt.

a. Er wordt een dusdanige hoeveelheid tetra in de absorber gele1d,

dat ~en 11~plossing van ohloor in tetra de kolom onderin verlaat.

·

°

b o De temperatuur van de instromende tetra ia - 20 C, waarbij en

tetradampspanning behoort van 10 mm Hg.

00 Men maakt de absorber zo lang, dat 5 gram chloor per seconde met

het af«aa verdwijnt.

d. Het ketelprodukt van de destillatiekolom levert in de reoireulere~

tetraatroom een chloorhoeveelheid

van

5

gram/sec.

e.

»e

gezuiverde chloorstroom bevat 1,0 gram tetra/sec.

De maasabalans kan aldus op eenvoudige wij ze worden gevonden (zie

bijlage A ) 0

T.a.v. punt a moet gecontroleerd worden of de bij de hee:;sende tempe~~'.lj

tuur behorende evenwichtsdruk van het chloor, de chloorpartiaaldruk vaa

het aanstromende gas niet te boven gaat. Is dit wel het geval, dau

zal meer tetra moeten worden gebruikt.

1 0 De abeorber

De temperatuur 'van de uitstromende chloor-tetra-oploBsing -.ordt

eerst bepaald. Het aanstromende gas van 4,2 atm. bezit een

tempe-ratuur van 30°C. In eerste instantie wordt aangenomen dat het

chloor bij deze temperatuur oplost. De warmte die vrijkomt ~Or

het oplossen van het chloor (~W1) bedraagt.

• • d r _ 41,3 kcal/sec.

"w1 PC1

2 • C12

De warmte die afgestaan wordt door de tot

-15°C

afkoelende inerte

gassen bedraagt.

-w2 -

Cp. Pm • .!>'l' - 17,0 kcal/sec.

De warmte die opgenomen wordt door het verdampte tetra

(P ..

3)

i8.

~w3·

PCC1 4

• r_CC14 • 0,7-koal/seco

Het warmteoverschot

(p )

bedraagt •

•

~w • ~w1

T

~w2 - ~w3 •

57,6

kcal/sec~

Deze warmte

(ti ),

gesommeerd met de afgestane warmte van het

.,.1081-w

bare chloor moet opgenomen worden door de ~trao Dit kan d.m.v. de

-

27

-Hierin 1st

CPC1

2 de soortelijke warmte van vloeibaar chloor. CPOl

,

-0,256

koal~gOC

~Ol de _{massaatroom aan vloeibaar ohloor. ~C~. 0,69}

kg/seo.

T.

~s

de eindtemperatuur van de _{oplossing in}

~.

CPeCl 1s de soortelijke warmte _{van tetrao CPCCl ,-o,20koaljkgOe}

c1CC144iS de ma8saatroom van de tetra.

~

'

CCI

•

5~58

kg/sec.

Deze waarden _{in (a) ingevuld leveren voor}

_Tei

_{Te. 5}0 C.

Bij bovenstaande berekening is aangenomen dat chloor _{en tetra een}

ideale oplossing vormen (geen mengwarmte~ _{Dit is volgens lito 10}

toegestaan.

De gegevens _{omtrent de oplosbaarheid van ohloor in tetra,}

de funotie van de temperatuur en druk zijn gedestilleerd uit lit. 2 en 10. Hierbij mag worden _{aangenomen, dat de te~rada.mpspann,lng boven iedere}

oplos_{sing volr.ens de Wet van Raoult kan worden berekend.}

De partiaaldruk van het ch_{loor in het aanstromende mengsel (stroom 20)}

bedraagt 1,2 _{atm. De ohloorspanning, die in evenwicht is met een}

11% oplossing (21 mol.%_{) van chloor in tetra, bedraagt 0,80 atm.}

(grafiek 2). Aan de eis ,dat deze laatste het laagst moe"t zijn,

is dus _{voldaan. Er zou niet veel minder tetra gebruikt kunn.n worden,}

aangezien dan _{zowel de temperatuur van het uitstromende mengsel als}

de concentratie toenemen, _{hetgeen dus een verdubbelde invloed op de}

toelaatbare evenwichtsdruk tengevolge heeft. o

Bij de temperatuur van

5

C is het _{toelaatbaar het oplossen ~}

inerte gassen in de oplossing te verwaarlozeno

De kolomdoorsnede wordt _{berekend voor de omstandigheden, zo~18 die}

onder in de _{kolom heersen, omdat de gasstroom daar het grootst}

is>t.o.v.

; '.

,.-de vloeistofstroom. Op ,.-dezelf,.-de wijze _{als bij de HCL-absorbef wordt '.}

de kolomdoorsnede _{bepaald. De werkdruk bedraagt 4,2 atm. VQor de}

snelheid van het ₂ gas _{waarbij "flooding" optreedt wordt gevonden'}

. , ,

1,89 kg/m sec. Er _{wordt nu een dusdanige snelheid gekozen, dat deze}

". 2

60% _{bedraagt van bovengenoemde snelheid. V • 0,6.1,89 - 1,135}

kglm seo.

I

De totale gasstroom bedraagt 1,45 _{kg/sec. Dit levert voor hetoppervl.·}

van de doorsnede (0)_

2

o •

~

•

1,28 m

De diameter van de kolom _{(D) bedraagt dan. D • 1,28 m}

-Bet ~ot&&l benodigde uitwisselend oppervlak en daarmee de leng1e

der kolom wordt berekend, ervan uitgaande dat de

aiotoverdracht.-weeratand zich zowel in de vloeistot- als in de gaafase bevind~.

De parti81e atoroverdrachtaco~ff1odenten in de vloe1aiot- en

gaataae

(resp. k en k ) dienen dUB eerst :berekend '\e word.nJ Voor de

berelte-:.r: y

ning van k moet de d1ff'uaiecolffioient van chloor in tetra bekend .

x

zijn. Deze wordt gevonden mob.v. onderstaande formule (11 t.

7 )

, -8 5

.... 7,4 • 10 (:di)O' T (b)

'-

yO,6

Hierin i8.

2

.lJ) ia de diffusieoolJffi;;ient, uitgedrukt in om /geoo

'1' ia de temperatuur. T .. 300~

• N is mologew. van tetra. M ~ 154

x is een constante. x • 1

111s de viscositeit van de oplossing • 0,79 oentlpoi8e

V ia het molaire volume van tetra

v.

50 om3/g.mol.

Ingevuld in (b) levert dit voor DI D • 3,8 •

10~9m2/seo.

De kx wordt nu berekend met behulfvan onderataande formule (lit. )

Hl •

~

(~lJ

m 0 (1l)

0

,

5

(

a)

1.

1

fm

Hierin 181

Hl ia de hoogte van een transporteenheid, uitgedrukt in ft. G

l ie de vloeistofatroom per eenheid kolomdoorsnede

G_l • 3620 lbo/hr.eq.t:t . .... ,

!2> i8 een pakkingsoonetante.

(3).

0,00666

M ls een pakkingsoonstante M .. 0,28

1 1 is de viscositeit

'1..l •

1,92 lb/rt. hr.

f

ls de diohtheid

p •

1550 kg/m3

~

is de diffusieco'fficient 10. 3,8.10-9•2/8ec.

Ingevuld in (0) levert dit voor Hli Hl • 0,63 ft • 0,192 m.

De volgende relatie geldta

Hierin i81

H .· L

1

i

aS

x

(d)

L 1s de vloeistofstroom door de kolom. L D 0,046 kmol/seo.

a is het uitwisselend oppervlak per eenheid kolom1nhoud. &a465m2/ .

3•

S i8 het oppervlak van de doorsnede van de kolom. S- 1,28 .2.

Ingevuld in (d) levert dit voor k • al k • a • 0,20

kmol/.

3aeo.

I

I

I

I

29

-De berekening van de part1~le atofoverdrachtsco8fficient in de

gasfase(k ) vindt m.b.v. onderstaande formule plaatBc(lit. 7 )

y

ky lil 1,36.10-

3

.0,04.P

(~) (~)-o,o~;(~-o,5

t

bm Rg (e)

Hierin is:

P is de totale druk. p .. 4,2 atm.

Pbmis de partiele drcl~ van hot inerte deel van het gaamengsel

1.

is de viscositeit.

~

IC 28.10-6 Ilsec/m

2

f

is de dichtheid"

f

lil

5,85

kgfm

3

Pbm • 3,1 atm.

m

is de diffusieco~fficient van ohloor in" het gaamengsel

J

=

1,28Q10-5 m2/sec.

v is de . .;assnelhe id.

R ie de gas,·onstante

T is de ter~peratuur

v .. 0,262 m/eec.

R .. 8,31 kJ/kmol <>x:

T .. 300~

d is de diameter van de atandaardkolom. ! lil 0,0253 m

I

n~vuld

in (e) levert dit voor k • k lil 8,12 • 10-5 kmol/mJsec.

l5

y 3

Hieruit volGta k • a lil 8,12 • 10 • 465 ... 0,038 kmol/m seco

y

De ver iOUf.Üng tussen k en k kan nu vastgesteld worden

x y k x

~

=

0,20 lil ~,25o

o,oj'8

n.

we·.ra1.and bevindt zich dUB inderdaad zowel in d. gaa- als in de vlo. L. to tf.ae •

Voor de r.tofoverdracht in de gasfaa8 geldt.

d ~ _m lII'd

tv

•

(1

-

y.) • k • a • S • dH

(f)

1 y

Hierin 18,

~.1~ de hoeveelheid chloor die geabsorbeerd wordt in kmol/se?

V ls ie g.a.troom door de kolom. V .. 0,0365 kmol/sec.

y is de ~l.fr&otie chloor in gat galj ter plaatse.

1

1 is de mol. fractie chloor in de gastase aan het grensvlako

H ls de hoogte van ne kolom.

Vergelijking (f) kan slechts ge!ntegreer.d 'ilorden als 1

1 bekend 1s

~2.

f

::}, t1 d Y

V

y &; d E : g) • n _'1-'

_V

y-y 1 Hierin i81 0

N 1s het aantal overdracl:. teeenbeden '.

Aangezien geldt. ~ro • ky (Y - Yl) - kx (xl - x) (h)

en de verhouding k.jky bekend 1s, 111 het mo.-"e11 .. ;k de intergraal

grafisch uit te voeren.

Bij het opstellen der evenw1ohtlll1jn _{moe t re;; ening worden gehouden}

met het temperatuuroverloop in de kolom. ~.b. · . _{grafiek nr. 2 werden}

onderstaande _{waarden verkregen, nodig voor het ~pst.ll}

en van de evenwiohtslijnl Te.mperajuur(oC) _{x P Cl/!(} atn.) ;r - 20 0,0 0,0 0,0 20 _{0,02 0,023} °.005 - 18 0,03 0,038 0,009 16 _{0,04 0,055 O,U14} 14 _{0,05 0,08 0,020} 8 0,10 0,23 _0,05 2 _{0,15 0,39 0,09}

5

0,214 0,80 O, ld

De evenwichtslijn is weergegeven in de grafieken

₃

_en

_4.

_{Het is} nodig om twee grafie~en _{te gebruiken aangezien boven in de kolom}

zeer

kleine waarden voor x en 1 verkregen worden, die op een grote schaal

moeten worden uitgezeto

De _{werklijn wordt gevonden uit (ie massabalwa.}

Onder _{in de kolom. Y1 - 0,400, %1 • 0,214} Boven _{in de kolom. 12 • 0,00026, %2 D 0,00018}

Y~b~vo de grafieken 3 en 4 kwmen voor verEl.:;hillende waarden van y

1

de waarden van ~ _{gevonden wordene} Y-Yi

31 -1 Y _Y1 Y - Y ₁ Y - _Y1 0,400' 0,252 0,148 6,76 0,350 0,190 0,160 6,24 0,280 0,125 0,155 6,46 0,215 0,080 0,135 1,40 0,150 0,017 0,103 9,70 0,100 0,025 0,015 13,34 0,075 0,016 0,059 11,00 0,050 0,010 0,040 25,00 0,0250 0~OO5 0,020 50,00 0,0180 0,0053 0,0127 79,0 0,0100 0,0028 0,0072 141,0 0,0050 0,0014 0,0036 282 0,0030 0,0009 0,0021 478 0,0020 0,0006 0,0014 715 0,00100 0,0004 0,0006 1610 0,00026 0,00006 0,0002 5000 1

In de grafieken

5,

6 en

1

zijn de waarden van uitgezet tegen 7

-Y - Y1

Het aantaloverdraehtseenheden kan nu grafisch bepaald worden en wordt voorgesteld door de grootte van het oppervlak. Er zijn drie

grafieken nodig, omdat met sterk uiteenlopende Behalen dient te

worden gewerkt. Uit de grafieken

5,

6 en

7

volgt voor het totaal '

aantaloverdrachtseenheden

(N).

N • 4,00 ... 2,54

+ 4,45

~ 11,00.,

M.b.v. formule (g) kan de benodigde kolomhooete gevonden worden.

kJL S

H

co N. L

V

Alle waarden van(~ zijn

(h) bekend.

Ingevuld leveren zij voor Hl H a 8,25 m.

Volgens lit. j is het bevochtigingsoppervlak bij deze vloeistof- en /

gasstroom

90%

van het totale oppervlak. In werkelijkheid is dus nodig

een hoogte

(H')van.H'-

10/9 •

8,25 -

9,10 m.

2. De destillatiekolom

De destillatie wordt uitgevoerd in een gepakte kolom gevuld met

1 inch Rasohig-ringen. De diameter van de kolom wordt volL~ns de eerder toegepaste methode berekendo Er wordt gewerkt bij

50%

van de snelheid, waarbij "floodin~' optreedt. De gevonden diameter bedraagt. D c 0,55 m.

Ten einde de hoogte van de kolom te kunnen berekenen wordt eerst

het aantal theoretische schotels bepaald volgens de grafische ll;ethode

van MacCabe en Th1ele. De bQnodigde evenwichtsl1jn van grafiek 10

wordt gevonden m.b.v. de oplosbaarheidagegevena, die volgen uit de

grafieken 8 en 9' Temp.' (oe) P Cl ₂ PeCl x

(%)

y

(

%

)

4 5 4,20 100 100

5

4,185 0,015 95,0 99,7 10 4,17 0,03 90,0 99,2 20 _4,13 0,07 74,0 98 ,3 30 4,09 0,11 58,0 97,4 40 4,04 0,1 G 45,2 96,2 50 3,92 0,28 34,5 93,3 60 3,75 0,45 26,0 89,3 70 3,57 0,(3 20,0 85,0 80 3,28 0,92 14,5 78,1 90 2,90 1,30 10,0 69,0 100 2,43 1,77 7,3 57,8 120 1,15 3,05 2,2 27,4 130 0,24 3,96 0,4

5,7

132 4,20 ~ 0,0

De twee werklijnen worden (,"evonden ui t de aamg",stellingen der stromen en de re fluxverhouding.

stroom mol.% C1₂

top _99,94

voeding 21!)4

33

-De minimum refluxverhouding wordt grafisch bepaald. De helling der

R ·

.

minimum refluxver'ouding iSI m •

0,18.

Hieruit volgt voor

n.'

ft

_m

+

_•.

1

Rm a

0,21.

Op grond van deze waarde wordt een refluxverhouding

(R)

gekozen van. R • 10

Aangezien de voeding op kooktemperatuur wordt binnengevoerd

(68°C),

na warmte uitwisseling met het recirculerende bodemproduki is de

J helling van de "q-lijn" oneindig.

Volgens de bovengenoemde methode wordt het aantal theoretische schotels nu bepaald. Dit aantal bedraagt

7.

De pari11le oondensor kan als ~'n theoretische schotel besohouwd worden. Volgens een vuistregel komen 6 theoretische schotels overeen met 12 praktisohe schotels met een onderlinge Bchotelafstand van 0,5 m. Dit levert een benaderde hoogte van de kolom van 12 m. Deze hoogie wordt ge-oontroleerd m.b.v. onderstaande formule (lit.11 _)~

k k R.E.T.P. _ k

1 G 2 D 3 H3

- Hierin is.

8 (a)

H.E.T.P. is het hoogteequivalent van een theoretisohe sohotel, uitgedrukt in inch.

G is de gassnelheid per eenheid kolomdoorsnede. G • 2800 lbo

/hr.rt

2

D is de diameter van de kolom.

D •

21,7 inoh. H is de benaderde kolomhoogte. H .. 20 ft. a is de relatieve vluchtigheid. _{a -} 16

'1 is de viscositeit van de vloeistof.

_~-

0,79 o.p.

I'

is de dichtheid van de vloeistof

f -

1,55

,ycm

3

Voor 1 inch Rasohig-ringen krijgen de constanten de volgende waarden. k_{1 • 0,042 , k 2 - 0,0, k3 • 1,}24. Deze waarden ingevuld in (a) leveren voor H.E.T.P •• R.E.T.PQ - 42 incho

De hoogte van de kolom (Hl) bedraagt dusI H' a 6 • 42 • 0,252 • 6.40 m.

De drukval over de deet11lat1ekolom wordt eveneens berekend m.b.v.

9

-3

lit. • De gevonden waarde bedraagt. P a 8 • 10 atm.

Bij de doorrekening van de absorptie- en desorpties9ctie is rekening gehOUden met een totale drukval van

1/10

atmo

E~ Koelers en condensors

1. Als voorbeeld voor de berekening van een (uitgevoerd mat tantaalpijpen) genomen •

.)60

bl:!

1

(jo "c,

gaakoeler,iskoeler

L

( ril

IL

ID~

I

<

I()c t ,(,4 (e.f

~DD c

Het benodigde uitwisselend oppervlak A volgt uit.

A.

~w

=--"'=

U • A TIn .gem. stel U • 60 W/m2

°c

~wc 468 kW (zie warmtebalans) o • 153

c.

Deze waarden incevuld in de formule geven voor A.

~68000 2

A.

60.

153 •

51 m

Aantal pijpen

Inwendige diameter Di •

25

mlD.

Uitwendige diameter D •

29

mmo u

Van

deze pijpen ie nodig.

51/0,0785 m •

650 mo

Stel de lengte van de pijpen is 3 m, dan is het aantal benodigde pijpen 650/3 ~

217.

De hoeveelheid benodigd koelwater van 200C is

~m

•

~

•

1

68 • 3,8 kg/sec. • 13680 kg/uur. C T

,2.

30

p

Door een pijp van

25

mm inwendige diameter wordt een hoeveelheid water gestuurd van 750 kg/uur, dan is Re

/10000.

....

35

-Het aantal "tube pasf.;es" wordt.

aan tal pijpen _

m

~ 12

aantal pijpen per pass ~

Correctie voor het toepassen van het logarithmisch temperatuur-verschil. Zie lit. , blz.465, fig. Eo

x • 0.09

z • 9

Voor een warmtewisselaar met 6"sb.e11 "passes" (bij 12 "tube puse.") geeft dit voor de correctiefactor '1 •

0,98,

zodat de correctie

niet nodig is.

Diameter warmtewi,·selu&r

D

1 cm. t • • 16,2 •

37,7

•

waarin t •

1,3

•

Du D

37,7

2

"

0,5

Du ...

2 •

y .

1,5

•

t •

Voor iedere "tube pass"

10

mm • totale inwendige diameter

610,7

mlD

29

56,5

120

"

"

"

816,2 mm ___ ca_ • • •

Voor betekenis van D

1, m, t en y zie bij HCL-filmabsorber.

Diameter aansluitingen

gas • 410 mm, berekend op een gassnelheid van 15 m/seo. water. 40 mm, berekend op een watersnelheid van 3 m/seo • .

De andere koelers zijn op dezelfde manier berekendo

20 De partille oondensor

(l'.).

De gassen, die de reactor verlaten hebben, en reeds gekoeld zijn tot 80oC~ worden in deze condensor verder gekoeld tot 35°C.

Hierbij vindt condensatie plaats. Het opstellen van d. mas . . balana

van

deze oondensor levert problemen op. Men dient na te

gaan, welke

samenstelling de uitstromende gas- en vloeistofatroom hebbeno

De totale druk in de oondensor bedraagt

1,5

atmo

Het binnenstromende gas (stroom 4) bevat.

Component kg/sec. gmol/seo.

Cl2

0,695

9,8

N 2

°

2

HeL H 20

0,

6

95

0,056

0,

2

5

4

0,179

24,8

1,7

7,0

9,9