Bereiding van nitro-phosphaten

~. . ~

Bereiding van nitro-phosphaten

Inleiding

Het dreigende telwrt aan zwavel heeft in de kustmestindustrie aanleiding gegeven tot het bestuderen van processen waarbij phos -phaatrots niet meer met behulp van z',iavelzuur wordt ontsloten.Men heeft hiertoe getracht het phosphaat te ontsluiten lnet behulp van salpeterzuur.

Ret voordeel van deze werkwijze{die i!J gerealisl3€rd~is dat men ecn product verkrijgt waar stikstof en phosphorus samen inzitten. ~"'en heeft hierdoor dus als het ware eell chemische menging verkre-gen van een stikstofhoudGl1dc en een phosphorushoudende meststof • Een dergelijke menging is natuurlijk altijd b~ter dan een me cha-nischc menging.

Een tweede voordeel is dat do producten geconcentreerder zijn da.n de normale meststoffen _•

Men kan phosphaatrots met salpeterzuur ontsluiten maar ook met salpeterzuur gemengd met zwavelzuur of phosphorzuur.Dit brengt

dan bepaalde consequenties met zich mede die later besproken zullen worden.

Van kunstmeststoffen die vervaardigd worden geeft men in het algemeen het percentage stikstof;het percentage _P205 en het per-centage t(20 op. ven kan n.l. ook in de loop van dit proces kalium-zouten toevoegen,zodat men dan een meststof verkrijgt waarin stik-stof,phosphorus en kalium aanwezig is.

Een meststof waarvan men b.v. de samenstelling opgeeft als 20 - 15 - 10,bcva.t 20% stikstof;15% P205 en 10~ _{K2 0 •}

De kW'wtmeststoffen die l11t':D nu bereid door phosphaatrots te ontsluiten met behulp van salpeterzuur noemt men nitro-phosphaten. OP de volgende bladzijde volgen nu enige fabrieken die nitrophos-phaten maken met hun productiecijfers.

1\Tcdcr1and staatsrni.jnen t:rl'J ()7; u 20

-

20

-) 80 ton/dag 1951 (1) vr1 15

--

10

-

21 uitbreiding tot

-

1:)

_-

ton/dag

lIJoorwegen i'Torsk Hydra ~T():z; rrr1 ,5

-

,5

-

40000 ton/jtlär 1951 (1)

L.

""st') _{~ 4} 11,5

-

,5 - uitbreiding !'-; _{maal z(lvee1} ....,

nuits I.G. TJlITn _''Z; -+ q7; P0 L! vr1 ,~ u i. 600-700 1:344 ) T~T()'Z _{+ R2} rr0l ₁ ~. }T'lT0'7

-

:) u _ton/dAg Gowcrkschaft victor 300 ton/dag (3) (wordt gebouwd) mrt') 3

H.S.A. 'T'(mnessee va1ley + ~«i 17

-

\)

"

1 (4)

~ytharity 4 ton/dag

T(("l

-

10 pi1otp1ant

(0.<;.1

1 (5)

fJ11ied rhemic s H!IT!l7; + _S()4 y-(l,'lordt gebouwd)

.-'

o

Beschouwing van de diverse processen

Nederland

voor phosphaatrots wordt hier verder de formule calOF2(P04)6

aangehouden.Dit is de formule die overeenkomt met de samenstelling

van Marokko-phosphaat.

OP het phosphaatrots laat men nu salpeterzuur inwerken (53ot)

- - - 3 Ca(H2P04)2 + 7 Ca(N03)2 + + 2 HF

Men kan dit mengsel van monocalciumphosphaat en cl1ciumnitraat niet zonder meer uit laten kristalliseren.Het monophosphaat is zeer corrosief en het nitraat is zeer hygroscopisch.Men kan een mengsel van deze twee stoffen dU:J moeilijk bewaren en opslaan. Men wil het dicalciumphosphaat laten neerslaan. Dit kan alleen

wanneer de verhouding Ca.O/P2 05 overeen komt met die van Ca.HP04; met andere woorden cao/P205 moet gelijk aan twee worden.Deze ver-houding kan men verkrijgen door 4. molen calciumnitraat uit te laten kristalliseren.

',nil men dat nu in de practijk trachten te verwezenlijken dan moet hiervoor het systeem caO - N205 - P205 - H₂0 worden bestudeerd.

Dit is gedaan door plusjé (~)

uitgaande van het systeem caO - N205 - P8 0 5 - H20 werd het

sys-teem _{Ca (N03 )2} - ca3(P04)2 - HN03 - _H3P04 - H20 afgeleid.

Het bleek toen dat men de ontsloten massa tot 100 _{C af moest} koe-len.Hierdoor kristalliseert het Ca(N03)2.4 B20 uit en dit wordt dan afgecentrifugcerd.B:et op deze wijze verkregen calciumnitraat

wordt verder verwerkt tot kalksalpeter;een erucelvoudige meststof.

Na het afscheiden van het calciumnitraat wordt de moederloog ge-neutraliseerd met aJIlmoniak.

3

_c

_{a (N03)2} + 3 _{Ca (H2 P04)2} + 2BF + 7 _NH3

•

5 caHP04

+ caF2 + 6 NH4N03 + _NH4H2P04 Men krijgt op deze wijze een suspensie van gepraecipitoord

caHP04 in een ammoniumnitraat-oplossing.Deze zlu~rie gaat men nu

verder indampen,kristalliseren,drogen zeven enz.

+

Na de verdamper kan men eventueel nog kalium-zouten toevoegen met behulp van een menger;men krijgt dan dus een product dat stäkstof,phosphor en kalium bevat.

Fen merkwaardigheid i~ het fluoor.In geen enkele publicatie

waar met de formule calOF2(P04)6 worät gewerkt maakt men melding van eventuele nadelige gevolgen van het fluoor.

Het bleek echter door e~n mondelinge medeäeling dat dit fllioor wel degelijk een groot probleem vormt.

Een meststof wordt o.a. gekarakteriseerd door zijn citraatoplos -baarheid.Deze moet zo hoog mogelijk zijn.Aanwezigheid van fluoor blijkt de citraat-oplosbaarheid sterk to verlagen (met 20-30~) De kwaliteit van het product gaat dan dus sterk achteruit.De oor-zaak van deze achteruitgang schijnt de vorming van een fluoorapa-tiet tijdens de neutralisatie te zijn.~en afdoende oplossing voor dit probleem schijnt nog niet gevonden te zijn.

Resumerende kan men nu het proces aan de hand van het diagram ca(N03)2 - _{C8.3 (P04)2} - _E}f03 - H3 P04 op de volgende wijze vervolgen. ~ater wordt in dit diagram niet voorgesteld daar men dit als water

aan zuur beschouwä.

De ontsluiting met salpeterzuur

corres-

"-"-_,

, ,

, _{, pondeert met de lijn}

'\

Ca _{(H2P04) 2} EF.,~ranneer men nu

gaat koelen of wan-neer men water gaat

GaHPo4

12

verdampen dan slaat

~. ~

ca-.lphosphaat neer

~ en de samenstelling

/

van de vloeistof D

P04

)2

loopt naat links langs het verlengde

~lcalOF~

(P04)

21

van de lijn KF.

Dit wil men vermijden en daarom voegt lIlen nog meer salpeterzuur toe 4.Y.

totdat het punt Gis. bereikt.Bij afkoeling zal nu calciumnitraat neerslaan.De samen:Jtelling van de vloeistof ·loopt dan langs GH;dat

een verlenging is van CG.wen koelt nu tot 100 c.vanuit het punt H

gaat men nu neutraliseren met ammoniak.Fr wordt nu dus een vijfde

component ingevoerd.Men kan het echter ook voorstellen alsof sal

-peterzuur wordt wegg0haald.De lijn HIJ stolt dus de lijn voor waar

ammoniumnitraat gevormd wordt.

Noorwegen

In Noorwegen gebruikt men een proces dat in grote lijnen parallel loopt met dat van de staatsmijnen.

Het fijngemalen apatiet wordt ontsloten met 65% salpcterzuur;bij dit zuur is tevens wat ammoniumnitraat g(;voegd.Koelt men het ont

-sloten mengsel/dan slaat het dubbelzout 5 ca(N03)2.~q4N03.10 R20 neer.De hoovcelheid toegevoegd ammoniuw1itraat is afhankelijk van

de verhouding CaO/P205 in het filtraat die weer gelijk aan twee

moet zijn.

Het filtraat wordt nu weer geneutraliseerd met ammonia.k en dan

verder door verdamping geconcentreerd. Aan de op deze wijze v

er-kregen slurrie van NH4N03-caHP04 worden lcaliumzouten gevoegd;het

mengsel wordt dan verder gedroogd enz.

In Noorwegen gebruikt men sterker salpeterzuur dan in Neder -land.Een voordeel hiervan is dat men minder water hoeft te verdam

-pen.

verenigde staten

(T.V.A.)

ook de Terulessee valley Authority heeft zich bezig gehouden met het bestuderen van de processen waarbij mon phcsphaatrots

ont-sluit met salpeterzuur

.

op

semi-teclmische schaa.l zijn

verschlllen-de processen nagegaan.Deze zijn:

a) ontsluiting van phospnaatrots met salpeterzuur

b) ontsluiting van phosphaatrots met een aengsel van

salpeterzuur en zwavelzuur

c) ontsluiting van phosiJhaatrots met een mengsel van

salpeterzuur en phosphorzuur.

Een voordeel van deze twee laatste methoden is dat men geen c

al-ciumnitraat als bijproduct gevormd krijgt doch calciumphosphaat

-resp. calcium~PhosPhaat.

CBlOF2(P04)6 + 18 HN03 + 4 _{H2S04 +} 13 _NH3

>-5 caHP04 + _NH4H2P04 + 16 _NH4N03 + caF2 calOF2 (P04)6 + 16 IDJ0₃ + 4 _H3P04 + 17 _NH3

•

S caHPo.:.t _NH4H2P04 + 16 _{NH4N03 + caF2}

De rest van deze processen, evenals van de nu volgende,

verloopt net zo als de processen van de staatsmijnen of van de

Norà:kt HYdro.

ook in 'Frankrijk en in Duitsland worden deze processen toegepast.

De societé potas se Fngrais Chimique ontsluit de phosphaatrots met

een mengsel van salpeterzuur en zwavelzuur.Na de neutralisatie

wordt kaliumcarbonaat aan de slurrie gevoegd.

De I.G. Farbem heeft drie processen gobruikt (2) die allen volle

-dig ontwikkeld zijn geworden.De phosphaatrots Nerd ontsloten met

salpeterzuur,met een ment;sel van salpeterzuur en zwavelzuur en met een mengsel van sa.lpeterzuur en phosphorzuur.

Het is gebleken dat bij het proces waarbij de rots ontsloten

wordt met behulp van een mengsel van salpeterzuur en zwavelzuur

een zeer sterke corrosie optreedt.De reactoren van V2A~staal kun

-nen niet tegen üet zwavelzuur.

Bovendien sChijnt bij de n,;utralisatic met ammoniak ammoniumni-triet te ontstaan doordat nitreuze dampen in de slurrie aanwezig

zijn.qet ammonimm1itriet ontleedt en dit kan tot explosies

aanlei-ding geven.

Naast de nu vermelde processen,die allen reeds vrijwel goneel

tot ontwikkeling zijn gebracht worden door de staatsmijnen ook nog de volgende processen bestudeord.

1) De oplossing van salpeterzuur en ontsloten phosphaatrots wordt beilandeld met ammoniak on koolzuur. (1;8)

een carbonaat-apatiet

-calO(P04)6C03-Dit is volledig oplosbaar in een ammoniumcitraat-oplossing.

Men moet er bij dit proces voor zorgen dat de verhouding CaO/P205

~ 3,3 iS.Men k~l dit eventueel bereiken door een voorbehandeling met ammoniak waardoor reeds CaHP04 gaat Iloerslaan.

2) Aml dit proces is ook gewerkt door de societé potasse Engrais Chimique.F.r is een pilotplant van 30 ton/dag gebouwd en momenteel is mEm bezig in Duitsiand een fabriek volgens dit pro

-cedé te bouwen met een voorgestelde productie V&l 300 ton/dag. (3) Een voordeel van dit proces is dat men het ontstane calciUIDnitraat niet meer hoeft neer to slaan en af te scheiden. Het calciumnitraat wordt omgezet in calciumcarbonaat.

Men heeft n.l . gevonden dat toevoeging van kleine hoeveelheden befaalde metaalzouten aan de ontsloten rotsmassa tot gevolg heeft dat de PH van de oplossing tot 9 of hoger kan stijgen zonder dat de citraatoplosbaaraeid van ~et product achteruit gaat.vooral magnesium- en aluminium bevattende zouten doen het goed.OP deze wijze kan de sterk alkalische slurrie _{met CO 2} behandeld worden.

get mechanisme van het proces is nog niet erg duidelijk.

De slurrie gaat direct na de ontsluitingstanks naar enige reacto

-ren.ln de eerste wordt de slurrie uitsluitend'" met ammoniak behal1

-deld;in de volgende met amllloniak en koolzuur terwijl de slurrie in de laatste reactor alleen met C02 behandeld wordt.

3) Men kan de oplossing van salpeterzuur en ontsloten rots ook behandelen met ammoniak en zlVaveldioxyde (1;9)

OP deze wijze ontstaat een citraat oplosbaar sulfiet-phosphaa

t-product .

4) Door Turrentine (10) is het volgende naar voren gebracht.

phosphaatrots wordt ontsloten door 50-651, salpeterzuur.Het bezwaar

van dit proces is dat men later weer een groot deel van het aanwe

-zige water moet verdam:fJen.nc .salpctcrzuurbereiidng geschiedt door water en N02 in tegenstroom met elkaar te laten reagcren.1Ilfen kan nu

trachte om deze processen te combineren.

De reactietoren wordt gevuld met fijn gemalen phosphaatrots.van onderen _{leidt men No2-gas in} terwijl men boven in de toren water sproeit.Aan het oppervlak van de steentjes ontwikkeld zich nu een

waterfilm;hierin kan het _{N0 2} oplossen en daarna kan het gesteente 6

opgelost worden. Bij een juiste verhouding van gas/water kan men

een hoge concentratie van het zuur bereiken.

'Men krijgt dan ~en slurrie die calciwudiphosphaat en calciumnitraat bevat.verhit men dit mengsel tot 1500 _{C dan treedt er de volgende} reactie

O

P

:

3 Ca _{(H2P04 )} 2 + 7 ca (N0₃ \ ; - - - * caRP04 + 6 HN03 + 4 Ca (N03) 2

Door de hoge temperatuur ontwijken salpeterzuur en water.Het sal

-peterzuur kan men weer terugwinnen en op deze wijze zou men 40tt,

van de totale hoeveeüheid terug kwmen winnen.~len houdt dan

uit-eindelijk een mengsel van caHP04 en Ca(N06)2 over.Neutralisatie

met ammoniak is dus ook niet llleer nodig.

wen krijgt dan echter 'hel een product met een relatief laag phos -phorgehalte.

Het is niet bekend hoever de ontwikkeling van dit proces is.

proceskeuze en voorgestelde productie

Daar het de bedoeling is om de ontsluiting van fhos;:haatrots uitsluitend met salpeterzuur te verrichten bleef onze keuze

be-perkt tot net Nederlandse on net Noorse proces. Het leek ons

re-delijk om het Nederlandse proces te kiezen temeer daar dan e ven-tuele opbrengsten van lic~ntics cn derg. ton behoeve van een N

e-derlandse industrie komen.

De con'sumptie in Nederland aan phoslJhaatmeststoffen bedroeg in 1951 55000 ton/jaar (6),uitgedrukt in P205.

Men kan echter niet alles in de vorm van nitrophosphaten fab ri-ceren daar men toch nog altijd de beschikking wenst te hebben

over enkelvoudige meststoffen (dus superpho.spnaat en stikstof -houdende meststoffen)

'0

als gemengde meststof te produceren.

Berekend op een product van 2J - 20 - 0 komt dat neer op een

productie V~1 150000 ton nitrophosphaat per jaar of 400 ton/dag.

Materiaalbalans

Alle cijfers die hier gogevGn worden,hcbben betrekking op

de productie per 24 uur -dus 400

ton-De samenstelling van het eindproduct is genomen op 20-20-0.

_tüvorens met de materiaalbalans begonnen wordt,wordt hier eerst in het klein een flowsheet gegeven van net proces ii9i1Àt9 voor

zo-ver het door mij behandeld wordt.

'. ' ~\ , . J\ ~, ! I ,_.l Hft,) - <:-.. ---:

-_._

-,

" ~! 4(\ ---~_ .. r .. ~--- ---v ) -! < [ , I _,-.

1

_, 1 -I . -_._----.. ./\ - Co.(HO,)". Of If~ --

..

I fO

I

r- ' ---> -~r---...J I i _____ 1

!

... 1 -- - -_.,... ._ ..

(J

1) Fr moet 400 ton/dag geproduceerd worden;20% van deze

hoe-veelheid is aanwezig als P205.Dit is 50 ton.

voor de samenstelling van het fhosphaatrots is genomen:

CalOF2(P04)6. Mol.gew. rots

=

1008

~ol.gew. P2 05

=

142

In 1008 ton rots zit 426 ton P205.

De hoeveelheid rots die men moet verwerken is dus gelijk aan:

1008

~ • 1008

=

190 ton

Fr wordt gerekend met een verlies van

3%

(dit is een totaal verlies)

100 ,190

=

196 ton zuivere rots.

er is dus nodig 97 .

OP grond van verschillende rotsamalyses die gegeven zijn (4) is

aangenomen dat de phosphaatrots 3'!? metaaloxyden bevat.

~Jen moet dus uitgaan van 202 ton rots.

volgens de reactievergelijking I OiJ blz.3

4'

er per grammolecuul

rots 14 grammoleculen salpeterzuur nodig voor de ontsluiting.

I

Fr is dus nodig 1961 .(14 • 63)

=

171,5 ton 100% HN03

1008

In plaats van 14 molen salpeterzuur worden 15 molen

gebruikt.Hier-door vindt de ontsluiting vollediger plaats terwijl bovendien de

citraatoplosbaarheid toeneemt.

p,r is in dit geval 183,8 ton 100% salpeterzuur nodig; di t is 347

ton 53% salpeterzuur.

Het saltpeterzuur moet van te voren verwarmd worden op 600

C.Boven-dien ontstaat bij de ontsluiting warmte.Er zal dus vordamping

op-treden terwijl er bovendien nitreuze dampen zullen ontwijken.

Aangenomen is dat hierdoor een verläes van

2

,7

dJ.

optreedt.

In de eerste tank (la) heeft men dus de volgende in- en uitvoer:

Invoer phosphaatrots 202 ton 549,0 ton ontsloten rots onontsloten rots (1,4%) oxyden R):P3

verlies aan HNO

(2,7otY

uitvoer 193,1 ton 337,6 ton

53D,7

ton 2j) ton 6 ton 9,4 ton 549,0 ton

Het proces is in de eerste reactietank niet nauwkeurig te regelen.Bovendien moet er extra salpeterzuur worden toegevoegd

(zie blz.4)

Daarom wordt de ontsloten slurrie naar een correctietank gevoerd. Hier kan men cr nauwkeurig voor zorg dragen dat er een goede

verhouding van de reagentia aanwezig is.

In totaal moet per mol rots 23 _{mol HN0 3} (lOO~) toegevoegd worden.

Invoer

uit de eerste tank RNg~ _u bijgevoegd (53_. ~_, ) 530,7 ton 95,0 ton 625,7 ton slurrie uitvoer 625,7 ton 625,7 ton 2) De temperatuur van de slurrie wanneer die de correctie-tarlli verlaat is ongeveer 850 C.Do slurrie moet nu gekoeld wor

-den tot 100 C.Door deze koeling slaat ca(N03)2.4 H20 neer. Doordat voor een voldoend8 zure oplossing gezorgd is kan er geen ca(H2P04)2 neerslaan.

1n- en uitvoer van de koelers zijn gelijk.

3) Het neergeslagen calciumnitraat moet nu worden afgcfiltreerd.

Dit geschiedt in een centrifuge.

per mol phosfhaatrots ontstaan 7 molen calciumnitraat.Hiervan moeten 4 molen uitkristalliseren.

Dit is dus een hoeveelheid die gelijk is aan:

183,1

1008

(mo1.gew. van calcillimlitraat is 236)

In het gevormde neerslag zal altijd nog wel wat oplossing achter-blijven.Dit verlies is o~ i~ gesteld.

Invoer slurrie 625,7 ton 625,7 ton filtraat ca( N03)2· _{4 H2()} verlies ~~ 441,8 ton 180,8 ton 3,1 ton 625,7 ton

4) Het filtraat moet nu geneutraliseerd worden met behulp van

ammoniak.Behalve de ammoniak die volgens de reactievergelijking

nodig is (r-.:actievergelijking II;blz.3),is er ook nog ammoniak

nodig voor het salpeterzuur die er nog is bijgevoegd.

voor de ontsluiting zijn 15 IDolen HN03 gebruikt in plaats van

14.Hierbij moet dm1 nog G,7% verlies in rekening worden gebracht.

Er heeft dus 0,6 mol HNO~ niet gereageerd.

196 ..,

iJit is • (0,6 • 63)

=

7,6 ton H1-T0₃ (1001)

1008

In de correctietank is 50,3 ton 100% salpeterzuur toegevoegd.Fr

moet dus totaal 57,9 ton salpeterzuur geneutraliseerd wo

rden;ver-minderd met een half procent verlies (zie .) wordt dit 57,6 ton.

i . nodig 57,6 • 17 15 5 t i k

H ervoor 1S

=

,

on arnmon a 63

Theoretisch zijn cr voor 1 mol phosphaatrots 7 molen ammoniak

nodig.Er is aanwezig 193,1 ton rots,waarbij dan nog B.Jm i~ verlies

in rekening gebracht moet worden.Dit geeft 19G,1 ton.

Hiervoor is nodig 192,1 (7 . 17)

=

28,7 ton ammoniak.

1008

Er is dus totaal nodig 38,~ ton ammoniak.wordt hierbij een verlies

van 3% in rekening gebracht dan wordt dit totaal 39,4 ton.

Fr is tevens aangenomen dat er lt~ (gew.~) water verdampàt.

Invoer uitvoer

filtraat 441,8 ton geneutraliseerde 472,9

oplosting

ammoniak (-9,4 ton verlies aan NH₃ 1,2

water verdampt (liJ) 7,1 481,2 ton 481,2 ton ton ton ton

A) Na het neutraliseren moet de oplossing ingedampt worden tot

een vocntgehalte van 7%.

De hoeveelheid water die is toegevoegd bedraagt:

a) reactie tank 158,7 ton

verlies 3~ 4,8 ton

153,9 ton

b) correctietank 44.,'7 ton

c) water gebonäen aan J.1ct 55,2 ton

calciumnitraat

Door _{het centrifugeren verdwijnt}

_{-à%; er}

_{is dus over 142}

,7 ton. Tijdens de neutralisatie komt er warmte vrij _{waardoor cr ook}

water _{verdampt.Dit verlies is gesteld op 1!1, (= 7,1 ton)} Er komt dus 135,6 ton water ll1 de verdamper.

Het _{vochtgcHalte van de slurrie bedraagt}

135,6 .100

=

2E,7%

472,9

Het vochtgehalte moet

_7%

wcrden.De hoeveelheid _{water die verdampt}

135,6 - x

moet worden is:

₌

_0,07

472,9 - x

x

=

_{hoeveelheid te verdampen water}

₌

_{110 ton}

Invoer

uitvoer van de noutralisatietank _{472,9 ton}

742,9 ton slurrie water ver-dampt 362,9 ton 110 ton 472,9 ton

6) . In de menger komt het prod~ct als een ~ikke brei aan.

Deze brei _{wordt gemengd met het fijne gruis dat van de zeven} komt. Invoer nitvoer 362,7 ton van de zeven 60,0 ton 422,9 ton _{422,9 ton}

7) _{De massa wordt riicrna naar een aantal parallel}

aan elkaar geplaatste _{kristallisatoren gevoerd.}

In- en uitvoer zijn hier aan elkaar gelijk -422,9

ton-8) _{De kristallen worden nu in een droger gedroogd}

tot een

vochtgehalte van 3~.

Invoer

kristallen _{422,9 ton}

422,9 ton

water verdampt gedroogde

kris-ta.llen

uitvoer 12,8 ton

410,1. ton

422,9 ton

9) De _{gedroogde kristallen gaan nu via een Jacobsladder}

naar een stel zeven.De bovenste zeef heeft een opening van 5 mesh (3,962 mm) en de _{onderste zeef heeft een opening van 16}

mesh (0,991 mm)

diameter van 1-4 IDID.

De niet door de eerste zeef gevallen stukken gaan naar een crusher en de gemalen stukken gaan dan weer via de Jacobsladder naar de zeven.

Het fijnste gruis gaat via een transportband naar de m.:;;nger. (no 6) Rendementsberekening

De totale invoer van grondstoffen bedraagt:

phosphaatrots

salpeterzuur (lOO~) reactietank salpeterzuur (100%) correctietank ammoniak 202 ton 183,8 ton 50,3 ton 39,4 ton 475,5 ton Fr is x~ 410,1 ton nitrophosphaat verkregen met een

vochtçSehalte van 3%.Hicrvan wordt 60 ton teruggevoerd naar de menger .Herleidt men ~net vochtgehalte tot op O~ dan bedraat t het rendement 71%

Breugt men het afgescheiden calciumnitraat ook in rekening dan bedraagt het totale rendement 98%.

Gebruikte apparatuur

Alvorens de phosphaatrots ll1 de reactor komt moet deze rots eerst gemalen worden.Hiervoor wordt een molen gebruikt van

Raymond Frères

&

cie.Deze molen maalt 95% van de rots tot 100 mesh.De gemalen rots wordt naar de reactor gevoerd door een Link-Belt schroef transportband die 35 omw./min. maakt.

Al de apparaten tot ~n met de ncutralisatiureactor moeten ge-maakt worden _{van V2A-staal.}p-.en goede samenstelling hiervoor kan

zijn.:17-19% cr;8-l0% Ni;O,J8-0,2~ c;max. 2~

Im

en l~ Si.

De reactoren la en lb kw:mcn van dit materiaal gemaaktworden.:Ren andere oplossing zou kunnen zijn dat de reactoren van binnen be

-kleed worden met zuurvaste stenen. (ll)

Een voordeel hiervan is dat de reactoren daardoor aanmerkelijk goedkoper worden.De practijk zal moeten uitwijzen of dergelijke reactoren zullen voldoen.

ad 2 T\oelcrs

In totaal zijn er 10 koelers, verdeeld in vier afdelingen.ln de eerste afdeling van 2 koelers wordt de slurrie gekoeld tot 650 _C;

vanaf 85°.In de tweede afdeling van 3 koelers wordt gekoeld van

65-450 _{C en in de derde afdeling wordt van ~5-35° C gekoeld.} Deze koeling ~cschiedt met behul~ Vffi1 water.

De slurrie wordt hierna gc1weld tot 10° C in 2 koelers die met

een calciumchlorideop~ossing ~evoed worden (29,9~ oplossing;

smpt. -550 c)

om de slurrie van de ene koeler naar de andere koeler te pompen

worden s~eciale door Reineveld geconstrueerde pompen gebruiKt.Het zijn roterende pompen met een klep die ook in de suikerindustrie

veel gebruikt worden.

ad 3 centrifuge

Fr worden ee~~aantal Reibeveld centrifuges gebrulkt1!D.E met een

trommeldiameter van 1,)50 mm en een toerental van 1000 omw./min.

Met betrekking tot ammoniumsulfaat zijn de volgende gogevens bekend.

Fen .:iergelijke centrifuge heeft dan een capaciteit van 1,5 ton/uur bij een voeding van ~O~ vaste stof.

Het percentage vaste stof ligt hier hoger:n.l . 83%.Fr zullen waarschijnlijk 4 à)5 centrifuges nodig zijn.

ad 4 verdamper

De verdamper die wordt gebruikt is een Durchlauf-verdamper van

B_{erekening van èen koeler van de eerste Boelafdeling.}

Globale berekenlllg

Fr moet 26100 kg slurrie per uur _{afgekoeld worden van 850 C}

tot 650 C.Neemt _{men aan dat de soortelijke warmte van de slurrie}

gelijk aan _{1 is dan is de hoeveelhicd warmte die afgevoerd}

moet

w_{orden gelijk aan: 26100 • 1 • 20}

₌

_{522000 kcal/uur}

In eerste instantie _{wordt aangenomen dat de wa} rmtedoorgangs-coefficient gelijk arul 1000 kcal/m2 _{0c hr is.}

Ret koelwater komt met _{een temperatuur van 200 C in de koeler en}

het water _{verlaat de koeler met een temperatuur van 400}

_c.

Invoertemperatuur slurrie 850 _{c;uitvoertcmperatuur 650 c.}

Dit geeft een logarithmisch temperatuursgemiddelde van 450•

Het _{totale koelend oppervlak wordt dan gelijk aan:}

522000

o

=

₌

11,6 m~

1000 • 45

Neemt . . men _{nu twee koelers ieder met een koelend oppervlak}

van 7 m2 ,dan bedra.gen de afmetingen van iedere koeler:

diameter 1,30 m en longte 1,50 m

Het koelwater moot ;361000 _{kcal/uur afvoeren (dit geldt voor één}

koeler) .A_{angenomen wordt dat de koewatersnelheid 0,])3m/sec}

be-draagt.

De dikte d van de _{koelerwand wordt nu berekend uit:}

2

2

261000/3600

e·

"Tt: (Rl

-

Rl)·

v • c

.

t =

e.

= 1000 kg/cm3 • I; ~ :~ ;

R2

= 0,65 m i R ! 1.: -~ !c 1 ______ , V _{= 0,b3m/sec} f .: R, ' 1 , t = 200 C ~ c

₌

1 1000 _3,14(Ri 2 ₂₀ 261000/3600

.

-

0,65 ).0,03

.

₌

2 ₈ H''"'5 _O,,,)?74. Rl

=

"

,

',

-,' ,;, + Itl

=

0,68 m d

₌

3 cm

o

F = opp. van de doorsnede der koelmantel = Ti((Ri

'F' = 0,117 m2

s -= opp. dat wordt bevochtigd = 4,176 m

DH

=

hydraulische dia~eter = 4 F / s

DH

=

0,112 m Berekening van~

-wl

Dit is de warmtedoorgangscoefficient van water naar

de koelmantel voor de bovenkant van de koeler.

t

=

400 _C

DH

== 0,112

m

cp

=

0,99802 kcal/kg oe ~ -- 0,656 • 10-2 poise -= 0,656 10-3 kg/m sec (12) (12~

À

=0,00151 ca1/cm

2

sec

o~=

1,51 • 10-4

kca1/m~sec

0),(

(13)

v

₌

e

-=

Pr

₌

Re = 0,03 m/sec 0,9922455 g/cm3

₌

0,9.122

.

103 kg/m3 (12) • \( / À 0,99802

.

0,656

.

10-3 cp = _4,34 1,51

.

10-4 =

e .

v

.

_DH/"l

₌

0,9922

.

103

.

0.112

.

O,03 ₌ 5080 0,656

.

10-3 ~

-=

1,51 • 10-4/0,112 • 0,027 (4,34)0,33 • (5080)0,8 = 0,1866 kcal/m2 oe sec

Deze waarde van 0( WJ. is veel te klein.Daarom wordt de

koelman-tel verdeeld in vakken.op deze wijze verkrijgt men een soort

spi-raal.Hierdoor wordt de snelheid van het water groter;Re wordt dus

ook groter. voor de afmetingen van deze doorsnede zijn de volgende

afmetingen aangenomen~ lengte = 20 cm

F

=

0,006 m2 s

=

0,46 m

dikte = 3 cm (dit is de dikte van de koe

o

e.

F • v c • .A t

=

261000/3600

1000 • 0,006 • v • 20

=

261000/3600

v

=

0,6 m/sec

Wil men de berekening zeer nauwkeurig maken dan moet,"e:n achter de formule waaruit men de ex berekend nog de correctiefactor

18

(~

)0,14 plaatsen.Bierin is

'1

de viscositeit bij de t ,::mperatuur

f

van de vloeistof als zodanig terwijl 1f de viscositeit bij de temperatuur van de film is.

De~e tf kan men berekenen uit de formule:

tf

=

t + ~(tw - t)

Hierin is t de temperatuur van de vloeistof cn tw is de wand tem-peratuur.Het is nu de grote moeilijhlleid om deze tw te bepalen. Men kan nu op de volgende wijze deze moeilijkheid omzeilen. Nen neemt de tw eenvoudig aan.De warm

te-doorgangscoefficienten worä.en nu met cor-rectie bepaald.Hierna wordt dan nagegaan op het aangenomen temperatuurverloop vol-doet aan de vergelijking:

~

t =

~At( ~O)

o ~'hc

Dit moet ook nagegaan worden voor ~ti en

A tw.1Yordt aan deze voorwaarden niet

vol-daan dan moet net temperatuursverloop wat veranderd worden net zolang tot het wel klopt.

Aangezien er reeds een onnauwkeurigheid bestaat bij de be-rekening van 0( vI in verband met het roeren leek het me weinig

zin hebben om de warmtedoorgangscoefficienten zo nauwkeurig moge-lijk te berekenen met behulp van de correctiefactor

(~)0,14

'lf Ik heo deze correctiefactor dan ook ni~t toegepast.

,Berekening van O( WI

pr

=

4,34

Re

=

Q,9922 • 103 • 0,6 • 5,2 • 10-2

f'V

=

~.51 • 10-4 0 3'-' 0 8 \A • 0,027 • ( 4, 3'± ) ' , ó. ( 47200) , 5,2 • 10-2

=

9,28 • 10-5 • (4,34)0,33. (47200)0,8

=

0,8265 kcal/m2 oe sec CX Wl

=

2978 kcal/m2 oe hr Berekening van 0(

---w2

Dit is de ~w voor de onderkant van de koeler.

t

=

200

e

DH

=

5,2 • 10-2 m

cp

=

0,99883 kcal/kg oe

\t

=

1,005 • 10-3 _{kg/m sec} À:l,49 • 10-4 kcal/mol os{ sec v

=

0,6 m/sec '2: kg/m'"" • 10-3

e

=

0,9982323 • 103 6,99883 • 1,005

Pr

=

~---~---1,49 • 10-4

=

6,74 0,9982 • 103 • 0,6 • 5,2 • 10-2 Re

=

=

31020 1,005 • 10-3 1,49 • 10-4 C(

=

2 • 0,032 • (6,74)°,33. (31020)°,8 b, • lO-G

=

9,16

=

0,6740 kca1/m2 oe sec ~W2

=

2426 kcal/m2 oe hr

Berekening van O<_vl1

(12) (12) (13)

(12)

Dit is de warmtooverdrachtscoefficient van de te koèlcn

vloeistof naar de wand voor de bovenkant van de koeler. Roersnelheid en roerder

De gebruikte roerder heeft de volgende vorm.

Warmeer men een roerder heeft va.n de vorm zoals hiernaast is afgebeeld,dan geeft u1lmanfl (15) op

<J

o

. d 2 n . • Re == --:---60 •

n is het aantal omwentelingen per minuut.

<X kan men d·an uit de volgende fotmule berekenen

NU == O,36.(pr)0,33. (Re)0,66 /L.

De roe.der die hier gebruikt wordt heeft cchter een mldere vorm Toch is gemeend bovenstaand0 formules aan te moeten houden temeer daar andere gegevens niet voorhanden waren.

Fr is echter nog eCl1iatweede punt waar geen rekening mee is

gehouden en dat is de naar beneden stromende vloeistof .Deze

sneü-heid is echter niet groot;ongcveer 1 cm/sec.

De naar beneden stromende vloeistof kan dus wol verwaarloosd

worden.

Ren derde punt is nog dat de diverse gegevens die nodig zijn

voor de berekening van C< niet bekend zijn.van de vloeistof,die

ge1weld moet worden,en die een mengsel is van 50% salpeterzuur,

calciumnitraat (gedeeltelijk uitgekristalliseerd) en cal

cium-monophosphaat,is niets bekend.om deze moeilijkheid te vervangen zijn voor zover mogelijk de gegevens verwerkt van 50% salpeterzuur.

In werkelijkheid zullen de diverse gegevens die nodig zijn expe

-rimenteel bepaald moeten worden.

D == 1,3 m

cp == 0,714 kcal/kg oe voor 50% HN03 bij 600 _{C (13)}

'7

== 0,84 • 10-2 poise == 8,4 • 10-4 kg/m sec

voor 60% HN0₃ bij 850 _{C (12)}

e

=

1,2377

.

103 kg/m3

voor 50% IDT03 bij 80° C (12) À== 0,398 Btu/hr sq.ft. o~== 1,64 • 10-4 kcal/m2 °9(sec

voor water bij 800

C

(12) 0,714 _• 8,4 _• 10-4 pr ₌₌ 10-4 == 5,28 1,64

.

1,2377 _•• ~~3 _{•• 1,}3 1,3

.

0,5 1227000 Re ₌₌ == 8,4 _• 10-4 n ₌₌ 0,5 omw/sec

DH

== 0,87 m

0<

₌₌ 1,64 • 10-4 _• 0,36 _• (5,28)°,33 • (1227000~0,66 0,87

513

~= O,~ • (5,28)0,33. (1227000)0,66 • 10-4

0<. = .lij3:9'7 kcal/m2 oe sec

o·q1.1~ Berelcening van 0< _{_v1} 2 t

₌

650 C cp

=

0,714 kcal/kg oe

'?

=

1,17 _• 10-3 kg/m sec

e

=

1,2628 _• 103 kg/m3

À =1,59 _• 10-4 kcal/m' oS{ sec

voor voor voor voor 0~714 • 1,17 • 10-3 pr

=

---~--~----

=

5,22 1,59 • 10-4 50% HN03 60~ HN03 50% HN03 water bij 1,2628 • 103 • 1,3 • 0,5

Re

=

---~~----

=

913000 1,17 • 10-3 bij 60° bij 65° bij 60° 650 C

~~

1,59 • 10-4 • 0,36 • (5,22)0,33. (913000)0,66 0,87

=

4,91 • 10-5 • (5,28)0,33. (913000)0,66 0(

=

0,7275 kca1/m2 oe sec ~v12

=

2620 kcal/m2 °c hr C C C

Berekening van de totale warmtcovcrgangsconfficient U

(13) (12) (12)

(12)

De totale warmtedoorgangsco~fficlent wordt berekend uit de

formule: I/U

=

l~w + d/À + l/~vl

Hierin is d de dikte van de \yand en À het w

armtegeleidingsvermo-gen van het materiaal van de wand.

ook nu wordt een U berckend,die betrekking ,heeft op de bovenkant

van de koeler en een U die botrekKing heeft op de onderkant van de

koeler.ReSP.Ul en U2

À

=

22 kcal/nr0S{ hr

Jo.

voor cr-Ni staal met

cL = 4 mm een samenstelling van:

18,151 cr;8,23% Ni;O,32~ 81;0,45% Ml1 en 0,14~ C cA. 4 . 10-3 ~

=

----

= 1,83 • 10-4 " 22. (12)

o

1. 1 d 1.

= --

+ - + UI OC wl À CC" vIl 1 1,83 10-4 +

-1:....

= 2978+ • ₃₃₂₀ 1/U1 = 8,18 _• 10-4 ~ = 1129 kcal/m2 oe hr

U voor de onderkant van de koeler d 1 + + -À Cc', vil 1

=

2426

+

1,83 • 10-4 .+ 2620 1 1./U2

=

9,77 U2

=

1022 kcal/m2 oe hr

van de twee gevonden waarden van U moet nu het

1ogarlth-misch gemiddelde genomen worden.

Ul - U2 1129 - 1022

U

=

=

---2,3 lOg Ul/U2 2,3 log 1129/1022

u

=

1.093 kca1./m2

oe

hr

Het koelend oppervlak van de koeler wordt dus gelijk aan:

o

=

261000

1093 • 45 = 53m

2

,

,

(J

0

(1)

K.G.C1ark

&

J.O.Hardesty Agr.Chom. 6 - 42 - (1951) (2) Fiat Fina1 Report no. 718

(3) ehem. Enginering 60 - (~ - 115 - (1953)

(4) E.C.Houston,T.P.Hignett

&

R.E.Dunn

Ind. Chem. Enginering 43 - 2413

-(1951)

(5) ehem. F,nginering 60 -

LIl

-

144 - (1953)

(6) G.Berkhoff Chem. weekblad 49 - 184 - (L953)

(7) M.H.R.J.p1usjé dissertatie Delft

zie ook Ind. ehirnique 35 - 164 _?1948)

3"5-

187 - 1948)

$ - 207 - (1948)

(8) Brit. patent no. 625690

U.S. patent no. 2555656

(9) Brit. patent no. 640149

(10) J.D.Turrentine ehern.

&

Eng. News 29 - 3454 - (1951)

(11) G.S.Shipley Ingenieur 65 - eh 7 - (1953)

(12) J.H.Perry chemical Engllleers Handbook

(13) Landolt-Bornstein physik.-Chem. Tabellen

(14) W.H. MCAdams Heat Transmission 1942

(15) ullmarm Fnzyklopadic der Techn,. chem. dl.I