De bereiding van dicalciumfosfaat en kalksalpeter, door ontsluiten van ruwe fosfaten met salpeterzuur in een kringproces

De bereiding van dicalciumfosfaat en kalksalpeter, door ontsluiten van ruwe fosfaten met salpeterzuur in een kring-proces.

Vervolg op het door T.Nijzink ingeleve:rde deel van dit fabrieksschema.

l·

I

f'

_..

I I I I I I I 1 I I

I

/-- - ~23-( H. Kapsenbe rg.

De moederloog van de d4calciumfosfaatbereiding (76,6 ton op-lossing Q' pel" uu~, indien men een productie van 25 ton dicalcium-fosfaat per uur aanneemt) komt bij

1

binnen met een temperatuur van ongeveer 120'0. Daar deze vloeistof afgekoeld moet worden alvorens de benodigde salpeterzuur toe te voegen en later de moederloog van de afgescheiden Calciumnitraat 4 aq. weer opgewarmd moet worden al-vorens de ruwe fosfaat te ontsluiten ligt het voor de hand de

warmte-wi8selaar (~ te gebruiken. Over de temperatuur, waarmee de vloeistof deze warmtewisselaar verlaat is niet veel met zekerheid te zeggen, daar noch van de vloeistof, noch van de Calciumnitraat moederloog physische constant en bekend zijn. De aanname van 50'0 zal echter niet te ver bezijden de waarheid zijn. Door een centrifugaalpomp (3) wordt de vloeistof in de vergaarbak (4) gepompt en vervolgens in de mengel"

(5) gemengd met een hoeveelheid van 19,7 ton 50% salpeterzuur per r. De resterende hoeveelheid salpeterzuur is al eerder toegevoegd bij het uitwassen van het dicalciumfosfaat~Zie schema Hr.Nijzink). Dit is dig om te voorkomen, dat er tijdens het afkoelen nog meer dicalciumfosfaat neerslaat. De oplossing Q' heeft volgens de grafieken 1 en 3 van de

theoretische inleiding de volgende samenstelling;

. 0,550 mol.sh. (N0_{3 )6}

0,450 " ;, (P04 )2 0;395 " H e 0,605 " Ca3 10,6 "HsO.

Bij 50'0 ligt dit punt in het monocalciumfosfaatgebied en moeten

~.,.

we salpeterzuur toevoegen volgens de lijn van· Q' ~ _{He (N03} )e tot minstens het punt x=0,400 y=O,460.

Door toevoegen van 50% salpeterzuur wordt de oplossing Q' als volgt veranderd;

(0,

~~o

t

~)

1"'2.!!:

---L

F '

f!!bJjt

b

..

--.l _ _ _ _

- 24

1i1.O .

Het (NO;})o woedt nu 0,600 dus: (0,550 +

f)

2 :;:

= 0,600

hieruit volgt x=0,734. Aan 1 mol. gew. van de oplossing = 565 gram moet dus 0,734 mol. gew. 50% salpeterzuur toegevoegd worden = 92,4 gr.

Aan de totale hoeveelheid vloeistof van 76,6 ton per uur dus 12,5 ton per uur

Na het mengen met de salpeterzuur laat men het Calciumnitraat 4aq. uitkristalliseren in een Werkspoor snelkristallisator (5). Deze wordt

(1)

ge~oeld door pekel. Deze pekel wordt door een circulatiepompje

rondge-pompt en wordt gekoeld door verdampende vloeibare ammoniak in het koel-element (8). De ontwijkende ammoniakgaRsen worden in de compressor (9)

gecomprimeerden in de watercondensor (10) afgekoeld en gecondenseerd. De olievanger (ll) houdt eventuele oliedruppels van de compressor tegen. Uit de verzamelbak (12) laat men de vloeibare ammoniak door de expan-siekraan 13 ontspannen en in de pekelkoeler verdampen.

Uit de kristallisator gaat de nu gekristalliseerde Calciumnitraat 4aq.' brei naar een horizontale continuwerkende centrifuge (14), waar de kristallen bij (15) met verdunde Calciumnitraatoplossing afgedekt worden (Zie hiervoor schema T.Nijzink). De moederloog en het waswater komen in de verzamelbak (16) en worden via de warmtewisselaaY (2), waar-bij ze op ongeveer 80'C gebracht wordt, door een centrifugaalpomp (17) in een verzamelbak

(18)

gepompt, vanwaaruit ze haar kringloop weer volvoeren kan.

Het kristallijne Calciumnitraat 4aq. is in de zo verkregen vorm wegens de enorme hygroscopiciteit als meststof ongeschikt. ast kan

echter volgens enige proc6di's (A,B en C) als meststof geschikt gemaakt worden.

A; I.G.Farben Ned. Octr. 16347 B. A.S.D.S. " 34336

25

-De staatsmijnen (0) geven in de patenten veel bijzonderheden en boven-dien zijn de aangegeven werkwijzen al met succes in de practijk toe-gepast, zodat voor het schema de~e werkwijze gevolgd werd.

In principe komt het hierop neer, dat een zeer geconcentreerde Calciumnitraatoplossing onder druk op enige honderden graden C.verhit

•

wordt. Bij plotseling ontspannen aan de lucht verdampen grote hoeveel-heden water en een dikke kristalmassa wordt verkregen. Zo verkrijgt men bij verhitten op 180 200 220 240 260'C

een massa van 23,8 21,9 20,2 17,5 14,7

%

watergehalte, indien een oplossing van 25,5 procent Calciumnitraat en 23 atm. over-druk gebruikt werd. In de practijk bleek 19 atm. en 260'C het beste, de verkregen kristalmassa had dan een watergehalte van 14,7 procent. Vervolgens wordt deze kristalmassa met een gelijk gewicht vrijwel droog Calciumnitraat gemengd om het watergehalte beneden de 10% te krijgen; dan is verder drogen goed mogelijk in een droogoven met

be-hulp van hete lucht. Boven de 10% zouden de korrels samenbakken • Na zeven wordt de fractie van 3-4 mm doorsnede afgezonderd als productie en de te grove. en te fijne fracties teruggevoerd om weer met de

kris-talmassa van 14,7% water gemengd te worden.

Volgens de twede bijgevoegde tekening komt de Calciumnitraat 4aq. (volgens de theoretische inleiding berekend op 30,1 ton per uur) uit de centrifuge (14) en moet opgesmolten worden (Smeltpunt 42'0) om tot 25,5% watergehalte ingedampt te kunnen worden. Dit geschiedt in een

transportsch~ef met stoommantel (19). De oplossing zal dan een

theo-retisch watergehalte hebben van 30,0%. Nemen we aan, dat de stoomman-tel de oplossing opwarmt tot 60'C, dan komt de vloeistof via de cen-trifugaalpomp (20)blj deze temperatuur in de verdamper (21). Deze verdamper behoort tot het type met lange pijpen en natuurlijke omlOOp,

26

-valbuis voert de damp af via de vloeistof-dampscheider (22). Daar het s.g. van de vloeistof ongeveer 1,7 is zal de afstand v~et vloeIstof-oppervlak in de verdamper tot het vloeIstof-oppervlak van de vloeistof in de

ver-zamelbak (23) ongeveer ~ zijn van de lengte van de barometrische val-buis.

De compressor (24) brengt de vloeistof op 19 atmosfeer en de buis-oven (25) op 260'0. De expansiekraan (26) doet de vloeistof ontspannen

in de expansiekamer (27). De waterdamp ontwijkt uit de schoorsteen hier-van en de ontstane krista1massa valt in de de menger (28), welke

uit-gevoerd ls met een transportsehroef. Gemengd wordt met de te grovet en

de te fijne fracties van het eindproduct. Vanuit deze menger komt de kristalmassa in de ~oogoven (29) en vervolgens in de koeler (jO),

waarbij met lucht gekoeld wordt. Deae door het koelen al iets opgewarme lucht wordt door een Rootzblower aangezogen en door het bovenst deel van de 'buisoven (25) op 230'0 verwarmd en vervolgens door de droogoven geleid. Afvoer van de drooglucht geschiedt door de schoorsteen (31). De luchtdichte transportmolentjes (32) zorgen voor het transport van de kalksalpetermassa en sluiten de lucht af. Uit de koeler komt de

kalksalpeter op een aantal schudzeven,(33} welke de massa scheiden naar korrelgrootte. De te fijne en de te grove fractie, de laatste via de walsmolentjes (37) worden over transportbanden en een jacobsladder (38)

l

teruggevoerd om weer met de uit de expansiekamer komende kristalmassa

j gemengd te worden. Wanneer steeds een hoeveelheid van 24,7 ton te fijn ''V

~~} en te grof materiaal in omloop is , zal de uiteindelijke productie 21 , 4

~, ~l

I I I i 1

I

.

•

'

..

- - - 27 -(H.Kapsenberg. ~r~k~Q1Qi-Yau_b~~_~~s~~1_~Q~!gyl~~~_!u_b~~_~~~~1~2~1~1~m~D~.

Uit de berekening van de kristallisator zou volgen de

hoeveel-heid en de snelReid van de pekel, indien men eentemperatuurver-val in de kPistallisator aanneemt. Daar de physische constanten van de uit te kristalliseren vloeistof en van de verkregen moederloog niet bekend zijn, kan van deze berekening alleen een benadering

ge-maakt worden. Stellen we, dat de 108,8 ton vloeistof, die per uur . I

in de kristal1isator komt, intreedt met een temperatuur van l04'P

(40'0). Volgens de theoretische inleiding moet de gevormde

k~istal-brei de krista1lisator verlaten met een temperatuur van 41'. (5'0). Nemen we als gemiddelde Cp voor vloeistof, kristallen en moederloog

over dit temperatuurtrajact Of800 B.T.U. per Lb' pe~ 'P aan,"dan moet

voor afkoelen alleen 63~0,8~08800~2,205=117073l5 B.T.U. per uur

door de pekel afgevoerd worden. Echter moet ook de kristallisatie-warmte in rekening gebracht worden. Uit de Or-it. tables kan men de

oploswarmte van I gr.mol. Ca(N03)a.4aq. in 4?O mol. wate~/vinden n.l.

-30,3 kilojoule. Dit ls dus de negatieve krista11isatiew~te + de

verdunnlngswarmte, dle vrijkomt bij verdu~en van een verzadigde

op-lossing van Ca(N03)2.4aq (1 mol Ca(N03 )a op 12 mol HaO) tot 1 mol

Ca(N03)a.4aq op 400 mol HaO. Deze warmte is ongeveer -1,9 Kilojoule~

De kristallisatiewarmte ls dus 30,3-1,9=28,4 kilojoule=26,93BTU voor

1 grammol. Oa(N03)a.4aq. Voor de uitkristalliserende 32,2 ton is dit _{. .}

dus:

-~~;R~6~26,93=4625681

BrU per

u~r.

Totaal moeten we dus met

de pekel 16332996 BTU per uur afvoeren: We nemen aan, dat de pekel

in de kristallisator treedt met een temperaüuur van 32'F en deze

ver-laat bij 77'Fj dus een temperatuursverschil van 45'F.

Geb~~lken we pekel van 12,20 gew.%, dan zijn hiervan bij 54'F

de vO'lgende physische cons tanten van belang: .

per cub.rt. ~ Het~iespunt=17,0'F.

---I

I

·

-I

28

-Om nu 16332996 BTU per uur af te voeren is nodig:

_!§~~~~~2

__ ·

=

5359 5 cub.tt pekel per uur 45.0,993.68,2 '

Het koelelement is nu als volgt ingericht:

Naast E'lkander· 20 seotoren pijpen. We nemen aan 1,5 in; ijzeren pijpen, waarvan de volgende gegevens aekend zijn:

buitendiameter 1,900 in; binnendiameter 1,510 in; dikt. van de wandO,145 in; oppervlak van de binnendoorsnede 2,036 Bq.in; de

"

lengte van de pijp per sq.ft wandoppervlak 2,191 ft~

De buizen liggen met tussenruimten horizontaal van 3 in.

Nemen we een druk boven de kokende ammoniak aan van 30,42 lb per sq.in dan kookt de vloeibare ammoniak bij O'F en heeft dan een

vel"dam-p1ngs.w~rmte van 558,9 BTU per lb en een warmte inhoud van 42,92 BTU per lb. We kunnen aannemen, dat de vloeibare amm&niak voor de expan-siekraan·een temperatuur heeft van 70'F en dus een druk van 128,8 lb.· per Bq.in. De wal"ll1teinhoud is dan 120,54 BlU per lb. Het verschil in warmte inhoud van vloeibare ammoniak van 70'F en O'F is dus

120,54 - 42,~2 =77,62 B.TU per lb. Om deze warmte af te voeren moet dus nog

.Z7 ..

Qg=

0 1440 lb vloeibare ammoniak verdampen als 538,8

538,8 . '

de gemiddelde verdampingswarmte tus.sen O'F en 70'F voorstelt.

Per aangevoerde 1,1440 lb. vloeibare ammoniak van 70'F ontstaat dUS 1 lb. vloeibare ammoniak van O'F en 0,1440 lb ammonlakgas van O'F.

Door de pijpen, welke onder het ammoniakoppervlak liggen zal een M.l.

zeker deel l6332996.y van de totale warmte afgevoerd worden; dan komt er door verdamping _12~~g~22&I

__

lb. ammoniakgas vrij. Totaal dus

I'

29

-;!; .. li~Q~lf!2~~~2~2 lb ammoniakgas. Dit gas moet (1-y)16332996 BTU

568,9

warmte opnemen in de buizen boven het ammoniakoppe~lak. Indien we

een temperatuursstijging van het.ammoniakgas van 10'F aannemen, dan is:

(1-y)16332996 = 0,5790.l0~ !j!11Qli.!~22g~~2 als 0,5790 de

ge-568,9

middelde cp. van het ammoniakgas over het temperatuurtjaject in BTU

per lb. per 'F voorstelt. Uit deze vergelijking volgt y=O,892

Door de verdampende vloeibare a~oniak wordt dus 0,982.16332996=

16078044 BTU per uur afgevoerd en door het koude ammoniakgas 224952

BTU per uur.

Berekening van het aantal pijpen per sector onder het ammoniakopp.

-~~---~-~---~---Voor de totale warmteoverdracht

1

_{J geldt Q=U.A~}

In deze vergelijking is Q=

16078044 _--~Ö---

_.

2

.a0390 BTU per sector

per uur.

D

U is niet uit Hi

I-i

en Hu te berekenen, daar de Hu d.i. de

ther-mische weerstand van de vloeistoffilm van de kokende ammoniak niet te berekenen is. We bepalen ons dus tot een overall coefficient ,

waar-• van in Perry blz 2603 een opgave gedaan wordt U=62 , 5 BTU per lb. per uur per 'F. Voor de dtm moeten we eerst het totale temperatuursve~a1

..

.

-van de pekel in de buizen berekenen. d.i. _.:._!§QZ§~1

____ .:._

= 43 8'F

O,993~68,2~5359,5 '

De pekel treedt dus met een temperatuur van 33,2'F uit dit deel

van de koeler. dtm= 55,l'F. Door invullen in de vergelijking voor de

. .

totale warmteoverdracht volgt A= ~~~~?~5;I---=233,1 sq,ft. De.lengte van de pijp moet dus totaal zijn

233,1~

2

~19

Î\

ft.

Dit zijn

~~~

..

!.fg.!~l

__

' - . ' 18

30

-Voor de totale warmteover'dracht geldt

/

hier Q=U.A. ~

Q is hier ~~~~~~-:: 12248 BTU per sector

20

dtm voor dwarsstroom kan volgens Badger

en McCabe berekend worden _{uit dtm voor tegen'}

stroom vermenigvuldigd met een correctiefactor. Deze factor ls te

berekenen uit een grafiek_uit Perry Blz. 971.

dtmtegenstr.= ~~=g~~&_- = 26,76'F.

2,31g jj~.:.

23,2

De correctiefactor bleek ongeveer 1 dus dt

m=25,75'F.

De overall coefficient u=

----!---..J.... + 1.. + ..sl...t. .

Hu Hikk..-t.

Om een idee te krijgen over de temperaturen van gas- en

vloeistof-filmen stellen we:

Hu:: 40 _i!ü-1_ 0,0250000 is 90,8% v.h. temp. verval =24,2 'F

dil Q .. J.~i _{= 0,0000534 is 0,1% =°13 'F}

k 12.225

'

,

Hi::400

1-_=

_{_~L~~~~.~~~} is 9,1%

,

,

=2,4'F.

Hi

0,0275534

De gemiddelde gastemperatuur is 5'F en de gemiddelde

vloeistof-i ~2+33 2 - 32 6'F

temperatuur s l5:. ____ .. _

-2 '

,.'

dt= 27,5(F. Het gedeelfe van het

1

1

-temperatuurverschil tussen vloeistof en wand is 9,1%=2,5'F. De

tem-peratuur van de vloeistofzijde van de wand is dus 30,1'F.

Bij genoemde aannamen voor Hi en Hu is dus de temperatuur van

, , - T

de vloeistof 30,1 + 2,4=32,5'F; en de gemiddelde temperatuur van de

. .

gasfilm 30 1-0,3-_, ~:: ₂ 17,7'F.

Voor de berekening van de Hi kan men de formule van McAdams

gebruiken'

l , rftrs )0,8(~~~~)0,3.

..

...

- 31

-k= de thermische geleidbaarheid = 0,001403 Kcal per cm2 per Sec per

'C.cm. = 0,3398 BTU per Uur per Sq.ft. per 'F.ft. (Uit Perry)

D 1s de inwendige diameter = 1,610 in. = 0,1341 ft.

cp. is de soortelijke warmte bij constante druk = 0,993 BTU per lb.

per 'F (Crit.tab1es) •

..

u is de viscositeit = 2,18 centipoise = 5,2756 lb per ft per uur (Uit

perrwy) •

v is de snelheid; Door 1 sector gaat Ix 2~2~~2 cub!ft per uur aan pekel.

20

Het oppervlak van de doorsnede is 2, 036 sq.in = ~tQ~§- sq.ft.

, 44

De snelheid is dus 22~~~2t!~i = 19050 ft. per uur.

20~2,036 "

a

f'

het ~oortelijk gewicht ia 1,09244,kg per

gm

3 = 98,3 lb· per Cub.ft~

Hi=

Q.QQg~2,Q~~~~§(Q.l~ili12Q~O~e.~)O,8(Q.2~~,g~&2~D)0,3.

0,1341 5,2765 . ' 0,3398

Log Hi= ~352l83 -2 + Oj127429 -1

0;577818 0,156367 -0,3 j521223 -I' 0;101943 -0,8 .,423855

---

....

1,467537 0,299085 0,2.1&'682 0,861614 -1,3 -0,3

--_

....

_---2,282508 -0,861614 +1,3

...

---

....

_---2,720894 • Hi=525,8.

Voor de berekening van de Hu kan men gebruik maken van de ver-gelijking van Reiher voor gas stromend onder rechte hoeken door bundels

Hu=

pijpen van minstens 5 rijen diep.

°

131(k~(Dvmax)0,7. Temp. 17 7'F

,

fiT

u ' •

k is de thermische geleidbaarheid is 3,48.10.5 BTU per sec per aq'ft.

',' _{(Uit C:jtit.t.)}

per 'F.in. = 0,13824 BTU per sq:rt. per uur per 'F.rt.

. , .

D ia de uitwendige diamete~'is 1,900 in = 0,1685 ft.

u is de viscositeit is 0,00901 centipoise

=

0,02291b per ft per uur.

(Uit Crit.t.) v max is de snelheid bij de kleinste doorsnede. De lengte van de

buizen is 18 ft en de tussenruimten 3 ft, terwijl aan de zijkanten

nog 6 ft overblijft. Het oppervlak per sectie is dus(1~l§±g'21~~= 5,17

• ,IA

..

I

I

I

~

32

-~/J.#

.

Het soortelijk gewicht is 0,1532. Per sectie passeert dan: l.a.!11QH2Q'ZeQ11_ cub.ft ammoniakgas per UUr. Dus de snelheid is

20~58, 9~0, 1532

deze waarge gedeeld door 5,17 = 2~36,5 ft. per uur. Hu= Q~!~!~2.a.Q!12g(Q.1Qe~~g~~§.~)0,7.

_ 0,1585 0,0229 .

Log Hu= 0,117271 -1 + Oj200029 -1'

-0,061452 -1 0,251884 -1,4 0;140020 -0,7 ---2,357971 0,451813 -2,4 . .

---_

..

---2;575714 -0,451813 -2;7 +2,4

---_

....

_----1,924901 Hu=84,1 Hu=84,4 1_= 0,011888 is 85,8%

~u_O

000053 _{is 0,4%} k - , Hi=525,8 1

---

0,001901 is 13,8% Hi

_---

_...

--0,013842 U is 72,3 ,

Bij de nieuwe berekening van het temperatuu:rve~a1 blijkt de temperatuur van de wand aan de vloeistofzijde 28,9'F te zijn en aan de gaszijde 28,5'F. De vloeistoffilmtemperatuur is nu.28,9.+ 26,75.0,138 =32,4'F en het mid0en van de gasfilm 28,5- ~2.Z§~Q.a.~~e =

2

=

17,0'F. De aannamen van de vloeistoffilm en de gemiddelde gasfilm-temperatuur zijn dus ongeveer juist geweest. De physische constanten veranderen bijna niet.

Q=U.A. dtm• De waarden ingevuld geeft l2248=72,3.A.25,75.

Voor A vindt men 5,35 sq.ft. De. lengt van de pijp is dus 5,35.2,191 ft.

Het aantal pijpen is dus §.a.~2~~~!~!_= 1 pijp. 18

Hieruit volgt meteen, dat de vergelijking van Reiher in dit geval niet toegepast mag worden. Daarom wordt de berekening van de Hu nog eens herhaald met de verli,iking van Ulsamer (Zie Badger en

Mccabe) vOOr gas\stY'omend in een Y'eçhte hoek tegen alleenstaande pijpen. Het Reyno1dsgetal is ~~!~§~ Q.l~e~~~~~5~Q~15~~= ongeveer 2500

u 0,0229

7

f

..

- 33

-Cp is i ,9QO BTU per lb. per 'f. (Ç~it.t~b1es). _

Hu= 0 6.Q~li~~g1(Q~!Q~~~lQQg)0,5(e~~QQ~Q~Q,~~)0,31.

, 0, Dö5 . 0,0229 0,13824 Log Hu= Hu=60,22 Hi=525,8 0;778151 -1 + 0; 140636 -1 -0,100014 -0,5 1;588335 0,294311 0,111549 -.0,62

---

_{~ 3,012996} -3;12 .0,423238 +2,31 ...

_----_

..

---

....

0,200029 -1 0;179612 -1 0,043597 -0,31

---

_{0,423238 -2,31} 1,779758 Hu=60,22 1_= 0,016619 Hu ~= 0,000053 1_= 0,001901 Hi 0,018~73 U=53,9 - - -12248 - f A is nu - u - 8,5 sq. t.

26, 76 ~53, 9 Het aantal pijpen is nu a~~A&.l~l_. ₁₈

precies 1.

Nu zijn alle maten van het koelelement te berekenen. De breedte

van de pijpenbundel is 2.6+20.1,9+19.3=107 in. De hoogte is ~otaa1

30 buize~30~1,9+ aan de zijkanten 6inA2~6 • l tussenruimte van 4in +

~ 28 tussenruimten van 1,24 in. Totaal ook 107 in. De diameter van de

1 omgeschreven cirkel is

2

~

J.Q~:

=

151~4

in.

1

'\

I

I

I I 1 . ~

r

15

~

....

-I ': , J,.J .. .' .. -' .. 23

,

Il-:L-

-

",-

.

f

~

\

"

.'

I

J},~~

'-'

,L \ I li (1 :, .1: l_,-" , !I 1;1 IJ: "'I i !' : I 29 -30

]1

", ,--

-~~I---

-TI

"

\1

r,

:

<:~f

',

:

: :

!

• ' J

U

t 1~; . . ..!,,' .:: t I t-.: ,- -- -.- i- - _.'.-_-_.~ . '., ... ___ . ___ l.~._ . __ , ___ " BEREIDING KALKSALPETER . '~ . _ .. '!i , . \~ 38 ~1 H.KAPSENB~ MEI1948 ---r~

11 /2 , ' , , , , i i ! I 11 ", "1 I t i.-__ .

/0

(.

/1

J / 7

.

----BEREIDING Ca(N03124...!L H.KAPSENBERG MEI1948 (