Oxychlorering van methaan

adres: datum:

--OXYCnpRERING VAlT METHAAlT

---Verslag bohorenQe bij het prooessohema van&

Go.1". Dicke

en

Jo van Tubergen

-

.

-2-Inhoud.

1. Samenva.tting van de uitvoering van het proces 11. Inleiding

3 3 Eigenschappen en toepassingen van met~lchloride 3

Technische bereidingsmogelijkheden

4

111. T,ype proces, produktiohoeveelheid en plaats der fabriek

5

IV. Beschrijving van het proces

V. Massa- en warmtebalans

VI. Fysische en ohemische aspekten

a.) Reaktie en reaktiemechanisme b) Thermo~amica en kinetica c) Katalysator

d) Voeding en produkten VII. Berekening apparatuur'

De reaktor

De gas:filmabsorbeur

Terugwinnen van droog zoutzuurgas De watersproeitoren

De natronloogsproeitoren De zwavelzuursproeitoren

De met~lchlorideabsorptiekolom Strippen van tetra

De metbylchloridedestillatiekolom Warmtewisselaars

Voorbeeld van berekening Voedingvoorwarmer reaktor Koelers Voedingvoorwarmer stripper Kondensors en reboilera Pompen en kompressoren Konstruktiematerialen VIII.Overzioht speoifikatie apparatuur

IX.

Literatuur

Bijlage 1 • Keuze van het proces Bijlage 2. Massa-en warmtebalans Bijlage

3.

Reaktiewarmtes

Bijlage

4.

FYsische konstanten

5

7

7

7

7 8 9 10 10 13 19 20 23 24

25

28

30

32

33

34·

35

37

38

39

40

40

42 0;\ "

,---

-

-3-10 Samenvatting van de uitvoerinc vQn het procGSo

1,1ethaan wordt met zoutzuurgas en lucht Gechloreerd tot methylchloride, ' metl~leenchloride, chloroform en tetrachloorkoolstofc

De reaktie heeft bij 400°C plaats in een vast bed, in tegenwoordig-heid van een koperchloride katalysatoro

De reaktiegassen worden naar een zoutzuurgas-filmabsorber geleid en vervolgens naar een drietal eproeitorens, waar verdere zuivering plaats vindt.

Uit de gezuiverde gassen worden de chloromethanon verwijderd door absorptie in tetrao

De scheiding van de produkten vindt daarna plaats door middel van

destillatieo '. ~',

Het zoutzuur uit de gásfilmabsorbcr wordt na destillatie met zwavel-zuur

:t el!'Uggevoerd in de reaktoro

Ilo Inleiding.

Eigenschappen en toepassingen van methylchloride.

(2,3)

Methylohloride is bij kamertemperatuur een kleurloos gas, dat bij -23,7°C oondenseerto Het is goed oploebaar in benzeen, tetrachloor-_, 'koolstof, ijsazijn en absolute aloohol. Het lost eohter sleoht op in

water 0

Methylohloride wordt hoofdzakelijk gebruikt bij de fabrioage van silioonen, tetramethyllood, synthetische rubber, en als met~lerend agens in het algemeeno

De prijs in de Verenigde Staten was in 1962 $ 0,10/lb. bij een pro-duktie van 108 miljoen lbo

Een goede technische kwaliteit methylchloride bevat de volg~nde

hoeveelheden, in ppm& water 100, zoutzuur 10, methylether 20,methanol 50, aceton 50, vinylohloride 100, ethylchloride 100, residu 100.

o 0

Het kookpunt ligt dan tussen -24 en-23 Co

I , -I ' .. I / - -- - -

-

-4-Teohnisohe bereidingsmoeelijkheden. (2,3)

1) Methanol-zoutzuurrouktie:

Bij dit proces worden gasvorrniee methailol en zoutzuur in gelijke

mOlverhouding toegevoerd aan een reaktor die bij ongeveer 350°C werkt.

Als katalysator wordt zink of koperohloride op drager eebruikto CH} OH + HCl ~ CH₃ Cl 1- ~O

Het voordeel van dit proces is, dat methylchloride het enige produkt

iBo

2) Chlorering van methaana

a)

met ohloor

(4,5,6,11)

Dit kan thermisoh, fotochemisch of katalytisch.

Het thermisohe proces is teohnisch het belangrijkste. CH

4

+

C~ -+ CH

3

Cl

+

HOlo

De reaktie wordt uitgevoerd bij

400

6C. Naast methylchloride ontstaan ook de andere chloromethaneno

Nadeel is het gebruik van het dure ohloor

Katalytisoh wordt de reaktie 00&0 uitgevoerd in een ternaire smelt

o 0

van kalium, oupro en oupriohloride bij

425 -

500

C

of in een fluid bed van aluminiumgel ge!mpregneerd met een kali~operohloride smalto

b)

met

zoutzuur

(1,5,6,7,8,9,10,11,12)

Een nieuw prooes is gebaseerd op de chlorering van methaan met

zout-zuurgas en luoht (-of zuurstOf). Als katalysator wordt koperohloride

oP dl.'ager gebruikt.

Het wordt uitgevoerd in een vast bed of een fluid bed. Reaktievargelijking.

CH

4

+

HOl

+

i<>2'-' OH3Cl

+

HOl 0

De reaktie wordt ook wel uitgevoerd met Cu01

2eeuO iopoTe luohto Dit wordt dan na reaktie geregenereerd me-; luoht bui ten de reaktoro Het voorieel" van het zoutzuurprooes zijn de goedkope grondstoffen. Op basis van de o%yohlorering van methaan zijn een aantal mogelijke

I

I I I

I

·

I

-5-lIIo Type proces, produ::tiehoeveelheid en pl"ats der fabriek. (2,3)

Als type proces "Terd de oA:ychlorerinc v,m metha:':.n tot methylcilloride gekozen., Dit ook in verband met het werk van 'Vf.J. Buesink, wiens

gegevens betreffende samenstelling voedinG en conversie zijn ~ebruD{t$

Het voordeel van dit proces is dat uit~ce~an worQt van goedkope grondstoffen; mC'thaan, lucllt en zoutzuur,J.s.

Het zoutzuureétE', is overiGens allaen Goedkoop als hot beschikbaar is als afvalprodukt , bijvoorbeeld v,:n chloreril1Gon~

In verband hiermee wordt als plaats Van vestiging gekozen het Botlek . gebied (petrocher.lische. industrie) of Zuid-LimburG (Staatsmijnen) 0

De gekozen prodw(tie ja 3000 ton ~er ja2~, dit in verband met een

jaarproduktie van 4000 ton in West-Duitsland en 3000 ton in Groot-Brittannië.

IVo Besohrijving van het prooeso

De voeding, bestaande uit methaan, zout:murgas en lucht wordt gemengd en gekomprimeerd tot 1,6 atm., dit om de drukval over het systeem te oompenseren.

De molaire verhouding van methaan, zoutzuur en luoht in de voeding ~~

:1 / ' is respectievelijk 1 , 2 : 2,86.

;,

~-

'iA.1.--

Di t gasmengsel wordt door warmteldBseling met de reaktiegassen in

~

,...ty1

t-v:;' een voedingvoorwarmcr op 360·C gebracht en vervolgens in de reaktor

, (; I geleido Door de grote 8xothermici tei t van de reaktie stijgt de

tempe-I,/

M.

!

~

ratuur van de voedingsgassen zeer snel tot 400°C, de temperatuur waarbij de reaktor werkt.

De reaktor bestaat uit een aantal pijpen gevuld met katalysator-deeltjeso Door om de pijpen Dowtherm A van 290DC te verdampen wordt de temrcratul~ in de reaktor op 400°C gehouden. De bij 400°C uit de reaktor tredende reakti8gassen worden door

warmte-• 0

wisseling met de VOed~l1g afgekoeld tot 123 C. Door nakoelen met

<>

water wordt de temperatuur v~n deze gassen tenslotte op

95

C gebracht.

Met deze temperatuur treden de gassen de filmabsorber binnen, waar-in zoutzuurcas in "Tater wordt opgelost. Om te kunnen voldoen aan de zuiverheidseisen voor methylohloride moet de oonoentratie van

zoutzuur in het gasmengsel voldoende laae zijno

• <~.

'. "

I

,

. I I I -- - - . _ - - - -

-6-DaDXOlJ wOl·d t er na de alJsorber ieOe; Gcn w,.ters~")roei toren GepL~atst

waar de rest van het zout zul.r,;2s vorwijderd .. tord t 0 Het zwak1ce zout-zuur dat hi(~rin ce:;)roduce,;rd "Tordt, lWr(Î.t in de fill:\absorber verder

geconcentreerd.

Het aldus verkreeen geconcentroerde zoutzuur uit de filmabsorber wordt door extractieve destillatie met zw~velzuur weer omgezet in droog zoutzuur~ne, d<1.t weer teruceevoerd wordt naar de voodineo

liet zwavelzuur wordt door dectill~tie van het 0PGenomon water gesoheiden en opnieuvT gebruikt.

De van zoutzuur ontdane reaktiegassen verlaten de wo..tersllroei toren met een temperatuur Van 25°Co

Achtereenvolgens worden dan nog koolzuurgas en water ve~~ijderd in

~en natronloog en zwavelzuursproeitoron.

De nu gezuiverde gassen worder- na komprimeren in

3

trappen met

tussenkoeling op 20 atm. gebraoht.

o

De gassen worden na.gekoeld met freon tot 25 C en vervolgens in de absorptiekolom gevoerdo

Hierin worden de ohloromethanen door oplossen in tetra afgesoheiden van de rest van de gasBen. De niet oplosbare gassen stikstof,

zuur-etof,koolmonoxide en methaan worden afgevoerd via de top van de kolom.

De oplossing van de ohlorides in tetra verlaat de kolom via de bodem.

Deze worden na aflaten van de druk tot 5 atm. en voorwarmen tot

99°C

toegevoerd aan een stripper, waar het grootste deel van de tetra,

gebruikt als oplosmiddel, gescheiden wordt van de lichtere ohloro-methanen.

De tetra wordt via een opsl~ 1'leer teruggevoerd aan de abaorptiekoloIDo Het topprodwct van de stripper bestaande uit de vier ohloromethanen wordt nu op

8

atmo gebracht en bij een temperatuur van

67

DC ingevoerd in de Tolgende destillatiekolom.

Hier vindt de scheiding plai.'.ts tussen methylchloride en de overige chlorides.

Het aldus geproduceerde methylchloride wordt afgevoerd naar !Jen tank waarin het vloeibaar opgeslagen lI'ordt.

De OTerige ohlorides kunnen op analoge wij ze d·:or destillatie

J

. )

(

-

-1-V. r.:assa en Warmtebalans aver de apparatuur: zie hiervoor bijlage 2.

VI. FYsische en cheoische aspekten.

a~ Reaktie en reaktiemechanisme.

In de reaktor verlopen de volgende reakties (1):

1)

CH

4 +HCl +~2--CH3Cl+H20 2 )CH

3CI + HCI + -ko2~CH2Cl1"H20 3)CH2CI2

+

HCI +-fro2 ... cnC13+ H20

4)CHCI

3 + HCI+ ~2~CCI4 + H20

~aast ohlorering treedt er echter ook verbranding op van methaan:

5) CH

4+202-+C02+2H20 6) CH

4

+

1-à-o~co + 2H20

De evenwichten van de reakties 1

t/m

4

zijn alle zeer gunstig gelegen in het temperatuurgebied waarin gewerkt wordt.

Om

verbranding zoveel mogelijk te vermijden is het zaak bij zo laag mogelijke temperatuur te werken, dit ook al omdat bij hogere tempe-ratuur nevenreakties op gaan treden:

7) 8) CR 3Cl

+

CRCl3 .... 2CH2C12 CR 2CI2+ CCl

₄

-+ 2CHCI)

Als reaktiemechanisme wordt het volgende aangenomen

(5,6,11,12):

1) ohlorering Van methaan CH

4

+

2CUCI2 ... C139~+P~2CI2+HCI

2) regeneratie Van kata~sator

CU

2C12

+

io

2

+

2HCI-2CuCI2+H20

b)

Thermod;ynamioa en kinetica.

De

reakties

1

tlm

6

zijn alle buitengewoon exotherm. Een berekening vanAO, AR en log K volgens de methode van Chermin en van Krevelen (13)

I - -

-

-8-. Reaktie ~H _{AG log K} TI!' k _(' nl/ mol _{lcc<1limol T} _ 400°C 1 - 3),983 - 25,G91

8,4

2 - 38,448 - 28,353 9,2 3

-

39,803 - 2C,895 8,8

4

- 39,1)38 - ~),113 8,2 5 -191,260 -191,253 62,3 6 -123,608

_-137,647

_44,8

7

1,355

-

1 ,458 0,47 b 0,035

-

1,7

û2 0, ")8

Over de kinetiek is weinig bekend. De reaktor-temperatuur wordt daarom gekozen in verband met de selektiviteit en vluchtigheid Van de

katalysatoro

Ui t de figuur van (5) blijkt dat de opbrengst a~m methylohloride eroter is t.o.v. de andere prodclcten naarmate de methaanconversie

kleiner is.

Het blijkt nu dat de opbrengst van mcthylch~oride het grootst is bij een methRanconversie van

41

%

.

0) Katalysator

(1,5,6,12,14,15,1

C

,17).

Als katalysator wordt cuprichloride op drager gebruikt.Als drager kan men silicagel, puimsteon en nluminiulngel glJbruikeno

o

Omdct koperchloride een grote vluchtigheid vertoont boven 400 C wordt een gemodificeerde koperchloride katalysator gebruikt die niet

zo v luchtig is. Gekozen wordt de "Shell" katalyse,ter, waarbij het

kopc.rchlvride Gemel1Gd is !:lot alkalichlol'iden.

Ter

Terbetering van de aktiviteit en selektiviteit bij lagere temperaturen i<orden metalen uit de groop der zeldzame aarden

toe-gevoegdo

Als d.ragcr wordt silicagel aanbevolen met een specifiek oppervlak van tenminste 200 n? / gram en erm poriediameter Van tenmins1ie 60

10

De grootte van de katalysatordeeltjes is

4

x 10-3m.

Door de katalysator te mengen met zilver of uranus st aal worden "hot spots" beter voorkomen, wan.rdoor er dus minder verbranding op zal treden.

- - - -- - - _ . - - -- -

-I

'.

I

-9-d) Voeding en produlden

Zoals blijkt uit de thermodynarnika zi,j n er veel :produlcten mogelijk.

De verdeline van de chloronethanen in het eindproduld is een funotie van het gemiddelde chloorgeho.l te (1).

Om zoveel mogelijk methylchlorido

te

verkrijgen moet dit gehalte

zo dicht mogelijk bij 1 ligeenc De hoeveelheid methaan mag echter niet beneden de 15 j, in lucht komen dit in vorband met de exp losie-grenzen van methaan/lucht.

Een

geschikte

voedingssamenstelling is

(in

molverhouding),

CR

4 I HeL. lucht c 1 : 2 c 2,86.

Een nadeel van deze samenstelling is het feit dat er veel zoutzuur overblijfto

In verband

met

de vrij h~ge prijs van droog zoutzuureae zal dit dus gereoirouleerd moeten wordeno

Bij de door W.J. Buesink opgegeven conversie van 32

%

van methaan tot chloromethanen is

de

produktsamenstellingl

methylchloride

50

mol

%

methyleenchloride 27

_"

_"

chloroform

17

_{" "}

tetra 6 11

"

Daarnaast wordt nog een 1C

%

van het methaan omgezet tot koolmonoxide

en koolzuurgas in de molverhouding 1 I 1.

1()

r

.-l. k . .(... oJ...~ Vo>J""H ~--..-a:. ~.~ ~

~""l

\ 4v'. H-vV/ ('--'1'"'"'

e

t<A..1

~

f1

...t

'

~

r' ~)..

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

-10-VITo 13erekenine ap:paratuUl'o

De reaktoro

Algemeeno

In verband met de Grote exothermioiteit van de reakties ie een goede warmtebeheersing nO$dz~elijko Een flutd bed zou daarom voor de hand ligeen

(7).

Daar er echter alleen gegevens bekend zijn over een vast bed, is dit type reaktor gekozeno Om tooh een goede varmtabehecreing

te very~ijeen wordt een buizenreaktor gekozen, waarin de katalysator gemengd met zilver of Uranusstaal is geborgen (15)0

Warmtebalana.

De totale reaktiewarmte ~$ gelijk aan de som der reaktiewarmtes van alle optredende reaktieso

Voor de bijdragen van iedere reaktie zie bjjlage

30

De totale reakt1ewarmte iSI

600,52 koal/s n 2513,78 kWo

Door de Dowth~rm moet afgevoerd worden de geproauoeerde warmte min

de warlate gebruikt om de gassen van 3600 op 400°0 te brengen ( de

voelbare warmte).

De warmteinhoud bij de diverse temperaturen is bepaald door voor

iedere komponent

te

0 ~3) 'lri.j d.o dea\etreffende telllpe1"atuur te

var-p 0

menigvuldigen met de molep~troom per seoonde en de temperatuur in Co

De voelbare warmte ilJt 124,37 kif.

Dus af te voeren warmtea 2389,41 kW.

o

Heem Dwwtherm va.n 290 Co

. / 20

Het benodigde oppervlak bij Elen U

=

10011 m C wordt geleverd door, buizen van

5

cm. diameter en een totale :lenete van 1718 mo

I

i

-11-Grootte van relJktor.

snolhoid ~ er UlU' var;. (" L C,_:O:~ i .ot_1Ui.:n, 1,2 :;uol zoutZU"cT or: 1, l (;r:JoI

lUC:lt de bellOcii(;de lweve(;J.~H:i,_ Lltal~'Gator l)~_1:.s vCrdUE1D-i't_;m:.atcriaal

60 nl.

De kontal:ttijd wordt uit deze COL;OVCr.c borel~ond met (1 [,) ,

t '" volume roaktol' (leog)

=

ETT~i LJ"

volumestroom -

1

;---')

~

rL.EvM~

:·

1 ~i-)l:.. f]?~: Eo: 0,4 r.r 400 <Ic.: <;) Ri 1,25 cm

_L

--:;; 0] CD.

Hieruit volc;t t

₌

0,) sec.

De voedinG bestaat nu uit I

CE

4 12,9

c

mol/ a

Hel 25,6

_"

11

lucht _36,9

_"

_"

In de betrekking voor de k0ntal~ttijd wordt rol door variëren van

p,n en L een reaktor berekenci <iio voldoet aan de volGende eisen:

v niet groter da.n 2 mis. li,vl'r1 _{- -- )}

o

t

kontakt =

0,5

seco

diameter buizen

=

5 cm.

nL is ongeveer gelijk aan 1700 n, dit

in

verband met het benodicde

warmte overdragenè.o

p=

1,5

atm

oppcrvlaJ~o

"

T .. 400 C

Dus _nL

₌

₁₁₃₅

_m

Neem pijpen van 2 m lang.

aa.r~tal

=

818

é "" 0,4

- ?>I

~v=

2>7l ₄ t'h 15

dus diameter real,:tor = 2,58 m

o s

_I ==

De gassnelheid betrokken op de lege buis is c v :a 1,6

mi

8.0

o

De druh.--val wordt nu berekend met de forrrnlle Van Eré,'Un (19) 1

1 - E.

~70

_

~

_

v d E 0 IJ

-4-

X 7-,7~ ~

;

Il~{'"

--- - - - --- - - - - ---

-12-[.

.,. 0,4

Dus 1::>1' m

0,2

bar,

_3

d >::

4

x 10 m p v o 1,6m/s

In verband met het gebruik Vé'..n verdampende Dowtherm als koelmiddel

is ean extra dampruiute nodic van 1 El., Voor de aanslui tingen is nog

eens

0,33

m nodiC, zodat do tot::tle hoocte van de reaktor

3,35

m wordto

Benodigde hocveelhnid Dowtherm:

Er wordt als koelnodium DOli'thero A gebruikt . onder eon druk van 2,12 atm

en een kool:temperatl:ur van

290

°

e

_.

Verdampin[swQrnto 64 kcal/kg.

Dus nodig • 8,91 kC/soco

dichtheid damp ,

8

,33

kg/m

3

dichtheid vloeistof:

8

~)3

_.

leg/rl)

De aansluitincen worden nu berekend bij een daIilpsnelheid van 11 mie

.\

-en e-en vloeistofsnelheid van 3

ra/

s.

---De diameters zijn.

~,.j. c 1,07 j.v,~/~tt.;. O,3S'~

o/v-f,

0,068

m voor de aanvoer van de vloeistof

0,3

5

m voor de afvoer van de damp.

(I

~en analoge ber~konin~ voor de aansluitincen van de reaktor geeft,

-13-Gaafilmabsorbeur.

Voor het absorberen van zoutzuur \fOrllt oen filnabnorbcur Gebrui. t in verband met de Grote war: ,teonhriLLelinc.

Het zoutzuurcE'.s dnt in het renktiocas zit ''lordt in de tsasf i1.JJ-abeorbeur oPGenomen in verdund zoutzuur, afkoL1ntic uiteen water-sproeitoren. Deze sproeitoren dient Ou de laatste resten zoutZUt~

te verwijderen. Dit Gebeurt in verbnnd mot daaropvoleende bewer-kingen of produkteiseno

De pijpen in de gasfilrnabsorptiekolom zijn van Grafiet. Het pakk.iner:latoriaal is Keramiok.

De drukval is

0,1

atm.

Berekening van de gasfilmabsorbeur.

Het benodied ui twisaelil'lG'soppervlak volgt uit do forr.nlle:

N1-N2 • Kg. (.oPf.. A rJ~

K g

A I

aantal overGedraGen mol zoutzuur per sekonde in mOI/s

stofoverdrachts coëfficient in mOl/Ws

rekenkundig gemiddelde van zoutzuurdampspannings-verschil aan begin en eind van de kolom in

n/

m2

uitwisselingsoppervlak in m2

Voor de berekening van (N

1-N2) wordt eerst de samenstelling be-paald van het gas dat uit de absorbeur komto

Het be';at

(42,44+

x(HCl )+y(~o) ) mol/ s.

Uit

(21)

volgt dat bij

40·C

de partiaalspanning van zoutzuur boven een

30%

oplossing gelijk is aan 0,055 atm en van water 0,022 atm.

De totaaldruk van het gas dat uit de absorbeur komt is

1,3

atm.

Uit deze gegevens is te berekenen. x a

1,904

mOl/a zoutzuur

y a

0,763

mOI/s water

Uit de reaktor komt

18,398

mOl/s zoutzuur, dus overgedragen

- - - ' - - -

-

-14-:De sto.foverdr:èchtscoëf l.1cicnt K is in cli t D', v: 1 to bcrolcenen

G t.> mL t behulp VL'.;":

K

=

_0

,

°1.22

(pV)o

D

G •

1,7

j

n

DO

Z

lb • . :10108

(20 )

(hr. ) (sq. ft • ) ( at. )

Lij g'()bruik v:-,n hd rr~JdischG cen:1odcnGtclscl 'IfOrd t dit,

1(C c 1,342.10-5• 0,0122 1,75

n

DO Mmo I mOI/Ns

Gomiddeld molekuulcewicht Van de gaastroom

aan de inlaLt v:-'.n de buizen

_-

_30,5

D

( 'V)

_f

0

buisdiameter

massastroom per oppervlakte-eonheid bij de inla~.t van de bui~en

viako.si tei t

0,025

m

...

\

De maximale gasstroom waarbij een vloeistofstroom op de rW.nd blijft bij gelijkstroom in buizen v~n 1 inch binnendiametor is

60

ft/s (21).

I

/fjll",!-?r,

Als gassnelheid wordt geko7.en 10 m s. ..---"---'

De dichtheid van hot gaB bij de inlaat van de buizen is

1~41

kg/m3o

Hieruit volgt (~V)oo

Nu is te berekenen dat (/lp)r I tt.PHCL,in ... 0,355 -

° -

0,355 atm / b.PHCL,Ui t= 0,.055 -(0',050.,. 0,005 atm Hieruit volgt (óp)r- == 0,18234.10 5 n/m2

Het benodigd uitwisselingsoppervlak. volgt nu met behulp vO.n de

berekende GeGevens uit N 1 - N

2 IC Kg c (AP)r. A

A 111,6 m 2

.. ,

I

I

I I'

:"'15-Grootte ab8orbour'

lIet inlo. tOFpervlo]: v;·.n allo

~m is mo.sscstrool'l kc/a

~l'l

..

-

-(~V) 0

2,211

14,1

Bij

gebruik Van 2~-29 r:n bui~(.n is hc:t u'..nt:'.l n '"

319

De lengte L volct uit nrrDL

=

A of 319.TT.O,025.L c 111,6 L '"

4,4)

m

---

~---De dicmeter wordt op de:3elfde l-Tij zo bepaald als van een u armte-wisselo.a.ro

D - 950 mm

Hassabalans (zie bijlage 2)

De partiaallÖlp['.nning vnn w~"ter boven een 30

l

b

zoutzuuroplossing is O,0~2 atn (21).

Hieruit volgt door berekening dat

10,754

mOI/s water kondenseertu De oploabo.nrheid van de andere gassen in het zoutzuur ie te

verwaar 10 zeno

De in en uitgü.ande stromen zijn rru te berekenonc

Warrltebalans

De in en uitgaande vloeistofstromen van de absorbeur hebben een temperatuur van

40°C.

De we...rmte-effekten in de absorbcur bestaan uit I 1) absorptie VêLn zoutzuur

2) kondensatie Van water 3) afkoelen van het gas

001

Er

wordt

16,494

mOI/s zoutzuur Geabsorbeerd. De absorptierTarmte is 17 ,88 kcal/mol (2)

-16-ad

2

De enth~.lpie van het w<'.ter in de inl-::oï.lCnde casGtroom is af te

lezen in enn II-S diner~m, als do tom:;:,orn,tuur en de p1ll'tiaal-spanninc beLond zijn.

De temperatuur is

95°C.

De p.::xti;,alapanninc is

11,517

x

1,

4

=or

0,223

atm.

72,356

Hieruit volet IL . <= 2675 J/e.

oeCJ.n

De enthéüpie ar,n het eind wordt borekendo

De partiaalspanrinc V2.n 1<T;'tcr aan het eind ~

°

,

G

22

Voor verzadiGde daQP is de enthalpie

2

5

36

J/e.

}

~

is gekondenseerd een fraktie 10,754

11

,517

De kondensatiewnrmte is hier

2402

J/g

(22)

H. -

2536 - 10,754

x

2402

= 293

J/e eJ.nd 11,517

H

-

H_

.

-

H

ind a

2382 J/C

-óegJ.n e

Enig rekenen levert nu dat de vrijkomende warmte door afkoelen en gedoel telijk kondenseren Van Hater ... 118,63 kcal/B

ad3

De warmtestroom is te berekenen uit,

'/J

w ""

'/J

m• [(CpT\egin - (CpT)eind]

llier is ~ do massastroom van het gas zonder het water. m

De c IS uit (23)

p

De hierbij vrijkomende warmte c

23,07

kcal/s

Samenvatting van de warmtebalans

absorberen Van zoutzuur

afkoelen en kondenseron van water aflcoelcn van eas zonder water

totaal

294,91

koal/e

118,63

23,

0

7

"

"

436,61 kcal/ S

Dit is tevens de warmte die afe0.voerd,moet worden door het koelwater.

-17-De hoeveelheid koelwater De af te voeren wéll'mte ~ .. 436,61 l-::cal/s ::: 1830 kW w De "Tnrnto 'flord. t

U

zz 1000

W

/

m

2

oe

o.fc;cvocrd met kocl1rat'.:!r in tugonstroor.l

(19) A

=

111,6

r:

?

rf.. :. UUT I

"'w

0G ~TI _°G .. 16,5

oe

°

De temperatuur Van het é'-~.ngevoerde koelwater is 20

e,

van

de afGevoerde zoutzuL~oplodsinG 40°C. Dus T 1 a 20 o

e.

Daaruit volGt T 2 c

13,3°C.

Aan de top is de te.:.peratUlJ' van het gas 95

oe,

de tümpern.tuur

van de 3,ê.ngevoerdc vürdunde zoutzuur is 40

oe;

Stel de filr.1tG m 2eratuur aan de top == GO

oe.

o 0 .:>

Dan is de eindtemperatu. r vu.n het koelwL"-tcr 60 - 1_,,3 = 46,7

c.

De hoüveelheid koelwater volet dan uit:

~

=

~ vC

.AT

1.830.000 = ~ .4190.26,7

W m p m

~ _m - 16,36 kc/s koelwater

Berekening van de diameters Van de n.f- en ao.nvoerleidingen

Gebruikt wordt de formule: _.>6

m

=

TT D 2 v 4

rgd

volgt uit _"" H _• p 273 22,4 1 T M , gemiddeld moleewicht.

Als gassnelheid wordt 11 mis gekozen, als vlooistofsnelheid 3 ~s.

Resultaten

P

ke/

s

f

_kc;/m3

_I

Dmm

r.l

gasinvoer 2,212 1 ,41 426

gasafvoer 1,41 )

_.

1 ,71 309

toevoer verdund zoutzuur 1,437

1

b

16,4

25

afvoer 30

%

zoutzuur 2,233 1137 ,6 29

koelwater toevoer 16,36 998 84

-1~-Voorwaarden

Gekontrolcerd moet l-vorden of bij de eekozen pij~)dia.meter voldoende

maar ook weer luet te veel vloeistof over de wand stroont in

verband met droogvallen of vollopen van de pijpen. Voor 1 inch

buizen geldt (20)'

minimaal 100 (lb)/(lr)(ft)

=

e,0413 kG/mos

maximaal 350 (lb)/~)(;t) = o,14~4

kG/m.s

Deze grootheden zijn golijk

a

~

n ~m

~ invoer .. m ~ afvoer = m 1,4375

kc/s

2,233 5 y..r,-/s D _{- 0,025} m nTTD

Berekening levert bij invoer 0,0562

kg/m.s

bij afvoer 0,0875 kg/mos

Beide liggen in het juiste gebied.

Filmdikte en filmsnelheid

De filmdikte VOlgt uit,

6

.\}12

rv

I (19)

fg

r;

=

~

_

~m

=

volumestroom per eenheid van breedte in m2/s

n

nD

fn

TID

De filmsnelheid wordt vervolgens berekend uit

r; -

v.~

invoer af'voer

rv

m2/s 5,53.10

-5

7, 9·10 6

-5

~

Hs/m2 5,88.10

-4

2,3.10 -4

r

ke/

m3 1137,6 1016,4

ó

mm 0,22 0,17 v cm/s 25

44

-19-Terugiiinnen va.n droog zout zuurga.s

Het terucwinnen Van droog zoUtzUur[)"é:S is Van belang omdat, 1) droog zoutzuureas du1.!.r is

2) spuien Van zout::mu:r duur is

3) de konversie v.:'.n het zoutzuur laac is

Destillatie (24) is niet goed mogelijk, omdat zoutzuur met water een azeot:roop gee:ft met een samenstelling vÛ.n 20 ,; zoutzuur. Er wordt dan wel een deel van hot zoutzuur teruggewonnen, maar door de produktie Van water in de :reaktor moet tOC.l het C:rootste deel

gespuid worden.

Beter toep~sbaar is daarom extraktieve destillatie met zwavel-zuur (25). Vrijwel al het zoutzuur wordt dan teruggewonnen als

droog gas.

Als bodemprodukt wordt verdund zWavelzuur ve:rkregen.

Voor de extrructieve destillatie is geconcentree:rd zwavelzuur te gebruiken tot een concentr<.!.tie Van 60 i~.

Het verdunde zwavelzuur uit de extrructieve destillatiekolom is door destillatie wee:r op te werken. Dit vooral omdat er in de reaktor voldoende energie beschikbaar is.

Het zwavelzuur wordt niet verder geconcentreerd dan 95 I~' in verband met het snel stijgende kookpl~nt.

De extraktieve destillatie kan niet berekend worden, omdat geen

evemriohtsgegevens bekend zijn. I{el is de massabalans berekend.

Aangenomen is, dat zW'avelzuur verdund wordt Van 95 I~ naar 80 ;~. Om het water uit de 30 ;~ zoutzuuroplossing te verwijderen if? d~cn

8,35

kg/s =

4,55

lis

95

~'b zwavelzuur nodig.

Opgenomen wordt aan water 1,562 kg/Se

Het bodemprodukt is dus 9,912 kg/s IS 6,2 lis 80 r~ zwavelzuuro

Uit de top va.n de kolom ontwijkt 0,6715 kg/s zoutzuureas.

Als de temperatuur op 40°C gesteld wordt is de dichtheid van dit gas 1,72 gil en de volumest:room 390 lis. Dit zoutzuurcas wordt teruggevoerd nG~:r de zoutzul~gasstroom voor de voeding.

Een modern proces ie hot terugwinnen van vrijwel droog zoutzuur-gas met behulp van een 30-60

%

oalciumchloride-oplossing (26,27).

Ook hier ontbreken voldoonde gegevens. Dit proces is w~arschijn­

lijk wel aantrekkelijker dan de extro.ktieve destillatie Met

behulp van zwavelzuur, omdat het oln-rerken van de verdunde calciumchloride eerrvoudiger is dan opwerken van zuavelzuur.

-20-De w2tcrsproeitoren

In de uittredende gnsson vaL de filmnbsorber bevindt zich nog

zoveel zoutzuU!'CaG, dnt in verb~md. met de zuivorheidseisen een

verdere zuiv:;rinc noodza..'k:eli jk is.

Dè zoutzmxoplor.'sinc die d~ toren vorla('.t 1fordt toeeevoerd aan

de film~bsorbor en d-.w· verder eeconccntrccrd..

In de s~roC'itorcn l:oclen de Gassen a.f v~n 40°C n2.aI' 25°C.

De drukval i s C, 1 am.

Dij de borekc!'lirç is aangenomen da.t de andere komponentcm onoplosbaar

zijn in water.

Berekenirg

Uitgegaan wordt v?nN

1 - N2 == K g oÓ.Pl og .A

Uit de zuivûrheidseis voor tetra (1 ppm Hel (2)) volgt een

-

6

/

toelaatbare concentratie Van 4 x 10 mol mol.

De oplosbaarheid Van Hel in tetra is 1,8 x 10-2 mOl/mol (28).

De toelaatbare druk van HCI boven de tetra oplossing is dus

4

i

10-6 atm.

8

-2

1, x 10

Daar ~e absorptie uitgevoerd wordt bij 20 atm. ia do toelaatbare

in het gas dat de sproeitoren verlaat I

4 x 10-6 a 1,3 X 10-5 atm.

8 -2

1, x 10

Hieruit volgt een

mole~~troo

m

v

~~

5

x 10-4 mol Hel per sekonde

die de sproeitoren verlaat.

Aangevoerd worden 1,904 mol/ s.

N

1 - N2

=

1,904 - 0,0005 a 1,9035 mOI/s.

Kg

Voor de berekening van K wordt de volgende formule gebruikt (21)'

KlTd _ 2

[1+

0,276

(p~d~1/2

(,,{D) 1/3

J

----~---. ~---- - - ---"~.

-

-21-R -

8

,31

4

J/mol

oK

:p IZ 1,25 atn (cemiddelde waarde)

T -

305°K

(gemiddelde w<:.arde)

d 3 diameter druppelt jen , stel 10-3 m

f-fgas ..

1,

50

k

G

/m3

(bol'ckend)

{ ,. 18 X 10-6 Es/m2 (genomen is de waal'de v"..n lucht)

ID== diffusiecoëfficiënt van HCl i1: het cir''-a<;ge.s (stel lucht)

ID is berekend met de forr.ru.lc (29):

T3/2

~1

ID = 0

016

6

x

7

-+-, J P (V 1 3L V 1 /3) 2 H 1'< A T ] A

13

ID in

Bq.rt.

/hr

.

T in-K P in atm.

VA en V] zijn de molaire volumina van HCl en lucht (29).

MA en ~ zijn de molekulairge.;iclltcn ve-n Hel en lt:.cht.

Na omrekening in het praktische steleel wordt verkregenl

:; 2

ID

=

1,38 x

10-

m

Is.

In de betrekking voor K moet rru. alleen nog v :: de relatieve

g gassnelheid bepaald worden.

Wanneer de druppeltjes eenp~ig vallen geldt

(1

9

,30),

v2 _

4/3

.gd(

Ps-fm)

Cwfm

f -

_s dichtheid vloeistof

~

1000

ke

/

o

3

fm&

dichtheid gas

=

1,5

kg/m3

c ::

r(Re) (

19)

w

Berekening geeft een relatieve snelheid v a

3,6

mis

Re

=,,;d

c:

300

Sc

-firn -

0,87

Invullen en uitwerken van alle waarden in de betrekking voor

K geef _g ta K _g -

7,56

x

10-

5

mol/Neec

AP_log

Boven in de toren ie P -

1,3

x

10-

5

atm (berekend uit

- - - . _ - - - -

-

-22-Onder in de toren is de partiaaldruk van het HCl in het inkomende gas

8

-2 5,4

7

x 10 atm toP l og 6·' 54 10-3 t 6 61 1021T/m 2 a , X a m

= "

x ~ A

Hu kan door invullen van de ver1<"xec;cn waarden in IJ 1-

n

2 = Kg . Ä

fiog'

A

het benodigde oppervlak A berekend worden.

2 A - 44,8 m

Grootte sproeitoren.

ToeGevoeGd vTordt 1,3749 kg/s water. Hiervan verdampt een deel d3-t wordt afgevoerd met de gasctroom.

Gebruikt voor de absorptie wordt 1,3682 kg/se Dit komt overeen met

2

een oppervlak per sekonde van 8,22 m •

]e kontakttijd van de druppeltjes is

AAI13

= 5,42 Bel~onde.

"8,22

Als gassnelheid wordt 2 m/s gekozen.

De valsnelheid is dan 1,6 mis.

]e hoogte van de sproeitoren wordt nu 5,42 x 1,6 a 8,67 m.

]e diameter volgt uit de volumestroom en de gassnelheid. diameter - 0,47 m.

Warmte balans.

]e absorptiewarmte van HCl in water ~ 17,88 kcal/mol.

Geabsorbeerd 1,9035 mOl/s

Dus abBorptiewarmte a 34,034 kcal/s.

In het gas, dat de sproeitoren inkomt is de partiaalspanning gelijk aan de eve!IWichtsspanning boven 3a;~ zoutzuur bij 40 ° C ~ Deze spanning is lacer dan de partiaalspanning in het gas dat de sproeitoren verlaat

o

met een temperatuur van 25

c.

i~ verdampt dus een deel van het aange-voerde water.

Deze hoeveelheid is 6,7

gis.

Hiervoor is aan uarmte nodig 3,645 kcal/s.

]e gassen koelen af van 400naar

25°c.,

hierbij komt een warmte vrij van 5,776 kcal/s. Voor de verwarming van het absorptiewater is dus beschikbaar I

34,034 - 3,645+5,776 kcal .. 36,165 kcal.

Dus water stijgt in temperatuur. 26°Co

Het water komt er bij 20°C in en gaat er dus bij 46 °c uit.

---

-

-23-De natronloog sprouitorer..

Deze dient om het in het reaktieen.s aamre~ibe CO

2 te venrijderen.

Ook hier wordt weer aangenomen, dat de andere komponenten

onoplos-baar zijn.

De drukval is 0,1 atrl.

Berekening •

Deze geschiedt geheel analoog als bij de watersproeitoren.

Er komen in 1,032 mOl/s CO

2, dit komt overeen met een partiaaldruk

8

-2

van

2,

4

x

1

0

atm.

Uit de sproeitoren gaan

0,001

mOl/s CO

2, dit komt overeen met een

partiaaldruk van 2,59 :x 10-5 atl!l.

Dus N₁-N_{2 - 1,031} mOl/s en

6P

_Iog :0 409,5

n

/m

2 0 ID ID

'7.

fgaa

-=

-=

2

0,138

cm

/s

bij OoC.

(29)

1,57 x 10-

5

m

2

/s

bij 25°Co 8 -6

I

2 1, x 10 Ns m •

1,52

lqsfm3

p a

1,15

atm ( gemiddelde waarde)

T _ 290oK.

ps

-

1105 kg/m3 (22) (

1~

~

natronloog)

De relatieve snelheid is

3,8

m/s.

Re

-

321.

Kg

_ 8 x 10-5 mOl/Na.

Het benodigde oppervlak is

2

A -31,47 m.

Voor het opnemen va.n

1,031

mOl/s CO

₂

is

2,062

mOl/s l'TaO.ii nodie. Er

wordt tweemaal zoveel NaOH genomen. De hoeveelheid 10i~ natronlooe, die

dan aangevoerd moet worden is 1,6496 kg/Se Dit komt overeen met een oppervlruc van 8,94

De

kontakttijd is dan:

3,52

eek.

2

m •

Van de gassnelheid wordt weer 2, m/s genomen

De"valanelaeid van de druppeltjes is dan 1,8 m/s. De hoogte Van de toren is

6,34

m.

"

-24-De partiaalclruk V2.n .. mter boven con 10,.; natro~pogoplossing is

21,5

5

mmo

(22)

Dit is la<;er dan in de inkomende Gassen. Er

konden-seert daardoor 0,75 gis aan water. Daardoor neo~t de ~arnteinhoud van

het gas af met

404

call s =

1

693 :

':

.

De zwavelzuursproeitoren.

Deze dient om het aanweziGe water uit het gas te verwijderen.

De drukval is C, 1 atn.

Ferekoning •

Ook deze bere}:emnc geschieclt weer geheel analooG.

Ui t de eis dat tetra ma::imaal 200 ppm (2) aan water mag bevatten

volgt een toelaatbare partiaaldruk van water in het gas dat de sproeitoren verlaat van

0,3 x 10-

5

atm.

De evemrichtsspanni~ van

95

'

,0

zwavelzuur bij

25

oe

is t.o.v. van

deze druk noc te verwaarlozen.

Er

komt

1,093

mOI/s water als damp de toren in. Dit komt overeen met

-2

een partiaaldruk van

2,83

x

10

atm. De evemr1ch,.tsdruk va.n het

zwa-. -2

velzuur dat de toren verlaat is, 1,18 x

10

atmo (138 oe).

Dus 'N

1-1T2 - 1

,092

m~l/s

en

~log

..

194N/m2.

ID - 0,22 cm /s bij 0

e

(29)

dus ID

2,51

x

10-

5

m

2

/s cbij

25

e.

P -

1,05

atm ( gemiddelde waarde)

T

=

29SoK

fs

a

1831 kg/m3

De relatieve snelheid is

5,4

mVs. Re '"'

415

K

=

11,7 x 10-

5

mOI/Ns g 2

Het benodigde oppervlcl~ is dus

48

m

Aangevoerà. ~ordt

3

54

,

6

gis 95~:;

oppervlak per sekonde van

1,16

De kontakttijd is dart

41,2

seko

zwavelzuur. Dit komt overeen met een

2

m •

Als gassnelheid wordt

5,2

mVs aangenomen. De valsnelheid van de

druppeltjes is dan 0,2 mis.

De hOOGte van de toren is dus

8

,24

m.

- - - -- - -

-

-25-Bij de opname van .. later door zwavelzuur kont veel warmte vrij.

In verband hiermee is het niet mogelijk het zwavelzuur meer te

verdunnen. In verband met de optredende temperatuurstijging van het

zwavelzuur en de d,;,arbi j behorende hogere evenwichtsspanning van

water, wordt slechts verdund tot 90/~ zwavelzuur.

!

IDe absorptiewarmte van wator is 924 cal/g (22)

De hoeveelheid die nu vrij komt is 18,203 kcal.

Deze warmte "lordt gebruikt on het ZrTavelzuur op te vrarmen.

c 0,435 cal/g (22)

p

De hoeveelheid 90~~ zuur is,

354,6

-t-

19,7

sa

374,3

gis.

De temperatuurstijging is 113~.

Het zwavelzuur gaat dus van 25 0 naar 138 °C.

De methylchloride-absorptiekolom.

In deze kolom worden methylchloride en de andere chloromethanen

opgelost in tetra. Daardoor wordt een goede scheiding verkregen

tussen de produkten en de inerte gassen 02' N

2, CH

₄

en CO.

Scheiding door middel van absorptie is te verkiezen boven

diep-koelen in verband met de duurte van het laatst genoemde proces.

Daar de verkregen methylchloride-oplossing, in verband met verderè

scheiding voldoende geconcentreerd moet zijn, wordt een druk gekozen

van 20 atm.

Berekening

Bij de berekening wordt in verband met de oplosbaarheden van de

zwaardere chloromethanen ervan uitgegaan, dat deze volledig

oplossen (28)

Daar geen gegevens bekend zijn over warmte-effekten, worden deze

verwaarloosd.

De temperatuur waarbij .de kolom werkt is 25°C.

Massabalans (zie ook bijlage 2)

De oplosbaarheid van metbylchloride in tet}'a bij CH

3Cl druk van

600 mm is 30 mI/mI (28). Omgerekend geeft dit 43 x 10- 3kg CH

3Cl/kg

tetra.

Er wordt aangevoerd 0,1042 kg/s CH

3Cl, hiervan wordt opgelost 0,1029 kg/Se

/

-26-Ui t de damrapanning VaD tetra bij

25

o

e

v~,n

105

mn

(31)

volgt

door be:rel:enil10 dat net de onoplosbare gassen 0,C36

k{s/

s o..an tetra wordt afGevoor~.

De tC'~;[I,le aanvoer van tetr~~ o..ls vlociütof is dus

2,405

kg/s.

Grootte kolom

De gassnelheid wordt berekend uit de floodingsnelheid

(21).

De betrekl:ine hiervoor wordt eeeeven door

1:.V

CQ .

als functie vcm v/a

a,t,2

G rL gE3

ft

L a vloeistofstroomdichtheid in lb/sq ft hr G - gasstroomdichtheid in lb/sq ft hr

fG=

dichtheid gas -

2

8

kg/m3

FL""

dichtheid vloeistof ...

1585

kg/m3

Ltf.

2 0,2.

Uit volgt vfa (l ~

0,051

G

fL -

0,32 ₃ gE.

(1

V f a floodingsnelheid in ft/sec.

7

viskositeit van de vloeistof =

0

,95

g - versnelling van de zwa.:::rtekracht .. 32,2

cP

tt/aec2 •

Als pakking worden ringen gekozen met een diameter van 1 inc~ en

een dikte van 3/32 inch.

Het aantal per cub ft is 1300.

Ë ...

0,8

a .. 56

tt

2

/ft

3

Dus v t = 1 ft/ s

Heem voor de gassnelheid

80

c10 _I van v _f

Gassnelheid c

0,2

5 m

is

(betrokl::en op lege kolom)

De volumestroom v,_·, het gas is 46,.3 x 10-3 rr?/s

De diameter van (0 . olom worut danl

D

_""

Vi

_rr

.

.

46,3

₀

_,25

x

10-:'0

_{- ,}

49

'0

_.

De stofoverdrachtscoëfficiënt K en dus het benodigde uitwisselende,

g

oppervlak wordt berekend met de betrekking (21),

~

.

P]

'

M

"

(

'l~

.

e

O.

O~

fVd)_1/4

v

P prD

~ ~

Uit deze betrekl::ing volgt een waarde voor Kg die geldt voor een

-- - - "

-

-27-Door verl:1eniGVUldi,~ing v~:,n K met R 1fora t KI verkregen, de

'-' g G g

waarde van de stofoverdrachtscoëfficiënt voor de te berekenen

kolom R i8 een van de pak1:ing afhankelijke faktor. g R 8,3 1 5 oT

I

mo lok

T

"" 29

8

°k

v

c

v

l .1 c

0,25

• 1

=

0,31 mis

eeg - ~ E. 0,0 PBli Daar Pi en PA

<<..

P wordt

p

=

1

?..,

1,917

x

10-

6 kes/m2 (33)

dus

~

=

19,3

x

10-

6

Hs/m

2

(viskositeit van lucht)

fO=

28

ke/

m3 (dichtheid gasQengsel, berekend)

ID

-6 2

1

(

=

2,2

x

10

m 8 berekond op analoge wijze als bij de

sproeitorenB)

cl

=

diameter standaardkolom

=

°

,083 ft

=

0,0253 m Bij de gekozen pakking is R -

2,7

g

Na invullen van de verschillende waarden volgt uit de formule:

Kg

-

8,65

x

10-7

mOl/Ns -6 /

K

1= 2,3 x

10

mol

N

s

g Ir - 1T 2 - KI. .ti? A '1 g loe De overgedraeen hoeveelheid N 1 - N2 aan methylchloride is 2,038 mOl/se

Onder in de kolom kOQt aan

2,064

mOl/s methylchloride, dit komt

overeen met een partiaaldruk van

757

mn.

A

ls

evemrichtsdruk van de oplossing in tetra 'ford t 600 mm gekozen. Dit komt overeen met

-,

43 x 10-J

ke

methylchloride/kg tetra.

Bovenin de kolom wordt

0,

0

26

mOlls mothylchloride afgevoerd, dit

kont overeen met een p2.rtiaaldruk van

10,

8

mmo De evenwichtsdruk

boven de inkomende t, tra is

°

mmo

.AP

I og =

157 - 10,

8

=

54,

8

mm _

728

8

'N/m2

~

In

10;8

-2[;

-Invullencler'w/3.C'xdon in H

1 - U2 = K g I 6Pl or; A geeft voor A

=

122 m 2

Het specifiek

oppervlcl

~

a _

56

ft2/ft

3

=

1

8

3,6

m2/m

3

Het volume van de pakking is

benodigd oppervlcl~ 122

0

,66

4

M,3 specifiek oppervlak ~

183,6

=

.,.

De hoogte van de prudcing volGt uit

benodigd volume

=

0,664 _ 3

64

n oppervlak doorsnede

0

,1

0

5 - ,

.

De drukval over de kolom berekend met eon formule uit lTorman

geeft

AP -

0,13 atm.

Strippen Van te~ra

Door destillatie wordt het grootste deel van het tctrQ afgescheiden ui t de oplossLJg afkomstig van de absorptie.

Na afkoelen wordt tetra naar een opslag gevoerd om daarna .feer gebruikt te kunnen worden als oplosmidde.1.

Om te kunnen kondenseren op koelwater nndt de destillatie pl<:,c.ts bij een druk van 5 ato.

:Berekening

Omdat er niot voldoende gegevens beschikbaar zijn,· wordt bij de berekening gebruik gemaakt van een benaderingsmethode.

Het aantal HoE.T.P.' s wordt berekend met behulp van een McCabe en Thiele diagram. De werklijnen hierin worden berekend volgens

de methode van Jenny, Hengstebeck (32). Als zware sleutelkomponent

wordt tetra gekozen. De lichte sleutelkomponent is chloroform.

In verband met de relatief grote hoevee(~lheid tetra t.o.v. het

c·hloroforn is een goede scheiding niet goed mogelijk •

.om toch een kolom te verkrijgen van redelijke · afmetingen v!'ord t gesteld, dat de molfraktie tetra in de sleutelkomponSnten in het destillaat

0,85

is.

De samenstelling van voeding, destillaat en ketelprodukt is

7 -2 9-F D K x ot.... x x 0(. x x _oL CH}Cl 0,104] 16,07 0,02629 s 22,00 spoor s e~el2 0,0571 3,19 O,1/f37 3,20 spoor CHC1 3 0,0359 1,63 0,0890 0,15 1,6l., 0,001 0,001 1,63 CC1 4 0,8021 1 0,5044 0,85

x - molf'reJ:tia V2.n totale hoeveelheid

x .. _s molf'raktie v:,.n sleutelkonponenten

1

~- relatieve vluchtiGheid t.o.v. tetra

Voor de massabalans zie bijlage 2.

0,999 0,999 1

Aa.ngenomen is dat de komponenten lichter dan de lichte sleute

l-komponent niet vc'orkomen beneden de voedi11Gsschotel.

De temperatuur v~n voedinc, destillaat en ketelprodw~t is berekend onder ai ',nname van de wet vn.n Raoul

t.

De som van de xP's van de komponcnten op een bepaalde plaats is dus gelijk aan 5 atm. llierin is P de verzadigingsspanninG bij

de bijbehorende temperatuur. P wordt berekend uit een betrekking

van de vorm logP B

-

A

/T+

E, A

en

E

zijn konst~nten (23).

Ui t"\.erking met P als fraktie van de temperatuur Geeft t

temperatuur in kondensor,

67

oe

temperatuur voedinB • 99°C (kookpunt)

temparatuur in reboiler .142

oe

De evemrichtslijn in het x - y diagram '!1ordt berekend met

y - 1

+ ( 0( -

1

):x

(Zie grafiek 1)

x en y zijn de molfrru~tios van chloroform in het totaal der

sleutelkomponenten.

Daar de voeding op kool~punt wordt ingevoerd is q ::: 1.

In het x - y diagram kan rol de minimale reflux bepaald '!.worden.

Gekozen wordt

1,

3

maal de minimale reflux (29)0

Le .

ReD'"' 3,804

s

1s en Ds zijn de vloeistof en destillaatstromen van de

-30-Uit de strooen van de sleutelkomponenten worden vcrvol~ens de totale damp cn vloeistofstromcn berekend, door gebnlik te maken van de relntieve vluchtigheid.

L .

Hieruit volgt

D

=

2,335

Konstruktie van het aantal schotels in het x - y diagram geeft aantal benodigde H.=.?P.'s is 31.

Daar de reboiler ook een schotel is, is het aantal 30.

Een praktijl<.regel geeft/dat ~~n 1l.E.T.P. overee-n komt met 0,50 m pakking.

De hoogte van de kolom wordt dan

15

m.

De diameter van de kolom wordt op analoge wijze als bij de methylchloride absorptiekolom berekend uit de floodingsnelheid. Bij een pakking met ringen van 1 inch en

a/~3

-

150

ft2/ft

3

wordt de snelheid in de kolom

0,25

mis, dit is

80

%

van de flooding-snelheid.

De diameter is nu

0,95

m.

Voor de berekening van de kondensor en r~boiler zie warmte-wisselaars. '

De methylchloride destillatiekolom

Door destillatie wordt het methylchloride gescheiden van de overige chloromethanen.

Om het methylchloride te kunnen condenseren op koelwater vindt de destillatie plaats bij een druk van 8 atm_

Berekening

De berekening ge scheidt analoog aan die van de vorige kolom. Als zware sleutelkomponent wor~t hier methyleenchloride gekozen. De lichte sleutelkocrponent is methylchloride.

Gesteld wordt dat

99,5

;,~ van de ingevoerde metbylchloride de kolom via de top verlaat. De samenstelling van voeding, destillaat en ketelprodukt is dan,

- - -

-

-31-F D K ,- _{x 0( x x 0<- x x -0(.} J_ S S s C~Cl C

,2629 0,646

₎

_,93

_0,99

_0,99

10,Ü1

0,0

(;

19 0,01 4,34

CR

2

Cl

2 0,1431

0,354

1

0,01

0

,01

1

0,1911 0,99 1

CRCl)

0,089

0

0,510

spoor

0,1209

0,515

CCl

4

0,5044

0,313

spoor

0,6855

0,315

Voor de massabalans zie bijlaee 2.

Er wordt aangenomen dat de komponenten zwaarder dan de zl:are sleutel .... komponent niet voorkomen boven de voedingsschotel.

De temperatuur van de voedinc is

67

°C.

o

De temperatuur i n de kondensor is 38 C. De temperatuur in de reboiler is

145°C.

De evenwichtslijn worè.t ook hier weer berekend, zie het JlcCabe-Thiele diagram (grafiek 2).

Voor 0( is een gemiddelde waarde genomen.

o(_V~ .~ = 6,8

D. voeding worèt ingevoerd bij 67°C.

De kooktemperatuur 1s berekend op

86°C.

Het behulp van de c 's on p de verdampingswarmten van de sleutelkomponenten wordt q berekend.

q -

1,01

Uit het x - y diagram volgt voor R minim2.al ""

0,231

R - 1,3

x

0,231 -

0

,300

DaQr alleen de sleutelkomponenten boven de voedingsschotel voorkomen is ook

~

=

0,300

De gas en vloeistofstromen beneden de voeclingsschotel worden bep".ald ui t de stromen van de sleutelkooponenten door eeb:l!tfikmalcing van de

r:f....' s.

Het aantal benodiede H.E.T.P.' lJ ie 10 ((jrnfielc 2)

Omdat de reboiler ook een sohotel is, is het benodigde [1ant~1

_9.

De hoogte van de kolom is

4,50

m.

De diameter van de kolom berekend uit de floodingsnelhcid eeoft D .. 0,78 m.

De snelheid beneden de voedingsschotel is.

0,028

m/s. De snelheid boven de voedingsschotel is

0

,

0

23

m/s

-32-Produktie

Uit de top van de kolom kont 2,026 mOl/a methylchloride.

De ja::-J'::!roduldie, gerekend over 80co uur, is dan 294~ ton.

H arutewissel2.aI's

Voorbeeld Van bcrel:enine' De gaskoeler na de 1 e konpressor.

De door komprineren tot 123°C verhitte gassen worden met koel-water van 20°C afgekoeld tot 45°C. De uitgangstempern,tuur van het koelwater is 35

oe.

De warmtestroom is op an2.loge

reaktor,

1> ..

111,93 kl';

wijze bepaald als vermeld bij de

w

Het warmte uitwisselende oppervlak volgt uit A a U

1>w

XdT l og

u

<= 40 r!/m2 oe (19 ) 88 - 25 ₀

-T 1 T2 AT, _ _{::a 50 c} T

-

8E

-og _{Ir. 1 In} T 2 25 Dus A - 111230 os 56 2 40 x 50 m

Gekozen worden , ij pen m· t een inwendige diameter uitwendige (1.ilUlleter van 32 mmo

Het oprervlak van deze pijpen per meter is 0,0785

Eenodigde lengte, 56

0,0765

=

712 m

Gekozen worden :rijpen van 3 mo

Aantal pijpenl 236.

De hoeveelheid koeluater "Tord t berekend uit 1>

w

T _ 15 oe 111930

4190 x 15

= 1,1S

Y~/s

=

6400 I/uur. Door ~~n pijp gaat per uur 600 1 water. Dan

(voorwaarde voor goede li'armteoverdrn.cht).

6aOO

Het aantal r-~jpen per pass is dus, 00

=

~ Het aantal passes is

~

- 30

DuB aantal pijpen is 240.

-33-Het lOGa.ri tnisell ter.1peratuurverschil noet nOG ce}:orricecrd

worden, zio hieryoor Perry (29).

x 0,15

z

cr

5

,2

Door oen warmtcuioselJ.ar te kiezen not 3 allell Jla8ces wordt de korrektiefaktor -:;" = 1.

De diameter van de w::xnte1'iisnelanr b:m nu berekend lfordenl

])1 m x t

m is een fcl:tor die afhanct v~'-n het ac-ntal ~:ijpen

t is de cteek t

=

1,4 x d 4

=

1, ij x 32 :c Lj.) rm D 1 ::2 15,94 x 45

=-2 x hc-.lve pijpdiamctor

2 x afstand buitenste pijp tot de

Hanel

=

1

tr

x p,teek

30 tube passes van. 10 I!lT!l

- 718 mm

32 mr:J

...

70

mrn

= 300 mn

Totale imrendice diameter is dan 1/

De diameters van de aansluitineen worden berekend met ~ _v

Voor het &~S ia v = 11 nis Voor :het Hater is v =

3

mis

De aansluiti~~en worden:

voor de gasaamoer 239 mm

voor de eas af'vo er l 214 mm

voor de aan- en afvoer van waterl

27,

5mm

=

Op analoge wij ze fTorden de andere warmtewisse13.aI's berekendo De dic~cters v~n re~~tor en filmaosorber worden ook voleens deze methode be:p:'ald.

• v

-34-VoedingvooTITarmer reaktor

Warmtewisseling tussen reaktiegas en voedingsgas.

Daar het benodigde warmte-uitwisselend oppervlak nogal groot is,

worden pijpen gebruikt met vinnen ( Brown Fintubes )

( 34)

Zie ook tekening.

reaktiegas voedingsgas temperatuur in

oe

400 12 " uit

oe

123 360 massastroom kg/s 2,212 2,212 volumestroom in l/s 2870 1335 " uit l/s 1690 2450 aansluitingen diameters in mm ₅₇₇

392

"

uit mm 442 532 warmtestroom kW 111 U w/m2

oe

30 .ll T log

oe

46 2 benodigd oppervlak m 558 :faktor :fintubes 2,288 pijpdiameter mm _50-57

totale lengte pijpen m 1518

lengte pijpen m 6

aantal pijpen 253

aantal pijpen per pass 253

aantal tube passes 1

aantal shell passes

₉

diameter mm 1420

aan tal vinnen per pijp 40

vindikte mm 0,5

-35

-Nakoelen reaktiegas met water

gas en water in tegenstroom

temperatuur in " uit massastroom volumestroom in " uit aanslui tingen diameters in " ui t warmtestroom U AT l og oppervlak gas water 123

95

20 30

ke

/

B : 2,212 ! 1,622

1/

s : 1

690

I

1,

625

1/

s :

1570

1,627

mm 442 25-32 mm 426 25-32 mm pijpen m pijpdiameter ~tale lengte lengte pijpen aantal pijpen

pijpen per pass

84

20,2

25-32

258

m

aantal tube passes

3 88 8 11 6 641 a.a.ntal shell diameter mm

Hakoelen gekomprimeerde gassen

(20 atm) met freon 12

gas en freon in tegenstroom

gas

35

25 1,287

52,5

50,75

78

77

freon

5

5

0,091

0,066

4,43 6 25

13,9

60

2'

9,25

25-32

118 1

118

118 1

595

pass.s

l

_ __ __ _ ~ _ _ _ _ _ _ _ _ - L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ~

-36-Koelers na de kompressoren

Gas en water in teGenstroo~, water door de pijpen.

le koeler 2e koeler 3e koeler gas water gas water gas water .. temperatuur in !

oe

_{123 20 150 20 150 20}

"

uit

oe

_{45 35 45 35 35 30} maasastroom kg/a ! 1,281 1,781 ; 1,287

I 2,

₄₃₃ ~ _1,28_{7 3,990} volumestroom in lis 495 1,784 196 2,437 i 71,9 3,997

"

uit _{l/s 398 1,792 147,2 2,448 52,5 4,014} aansluitingen diameters in mm ₂₃₉

25

150 32 91 44 11 _uit mm 214 25 131 32 78 44 warmtestroom

k

W

_{111,93 152,93 167,18} U W/m2

oe

_{40 50 60} AT 10g

oe

50 59 51 2 oppervlak m _{56 51,9 54,5} pijpdiameter mm _{25-32 25-32 25-32}

totale lengte pijpen m _{712 660 695}

lengte pijpen m _{3 3 3}

aantal pijpen _{240 220 234}

pijpen per pass _{8 11 18}

aantal tube passes _{30 20 13}

aantal shell passes _{3 2 6}

-37-Voedingvoorwarmer v~n stripper

o 0

De voeding van de stripper wordt met verzadigde stoom van 12 C, van

25

C \ ..

op

99

oe

(kookpunt) gebraçht.

Benodigde hoeveelheid stoom

80

,474

x

10-3

kg/Se

warmte stroom

U AT

benod~a~

oppervlruc

pijpdiametar

totale lengte pijpen

lengte pijpen

a.a.ntal pijpen

aantal tube passes

diameter Reboilers en kondensors. 178,02 850

49

4,27

2

5

-32

54,3

1

55

1

425

mm m m mm

De warmte die in de kondensors afgevoerd moet worden is berekend met,

" I

Pw -

a

(R - R )

n"

-

Hl de verdampingswarmte.

a is de gasstroom die de kondensor inkont.

Berekening geeft voor de stripper s

737

kW

Berekening geeft voor de CH

3Cl-kolom,132 kW

De warmte die toegevoerd moet worden aan de reboilers is berekend mets

P -

_w al (

H"-

Hl )

al is de gasstroom die de reboiler verlaat.

Voor de stripper wordt dit ,

Voor de CR

3Cl-kolom wordt-dit,

770,12

kW

187

kl'T

-38-~K __ on_d_e_n_s_o_r_s_, ________ ~ ____ ~ ________ St_r~l_'p_p_e_r __ ~ _____ C __ _H3Cl-kolom temperatuur in " uit massastroom warmte stroom U AT log oppervlak pijpdiameter

totale lengte pijpen

lengte pi jpen aantal pijpen

pijpen per pass

aantal tube passes

diameter Reboilers: temperatuur in

"

uit massastroom warmte stroom

u

AT" o log oppervlak pijpdiameter

totale lengte pijpen

lengte pijpen

aantal pijpen

pijpen per pass

aantal tube passes

diameter kg/s mm m m mrn kg/s mm m m mm

damp water damp water

67

67

20 40 2,94 8,80

737

600 36 34,0 25-32 434 3 144

36

4 694

.

38 38 0,135 20 30 3,15 132 600 12,5 11,6 25-32 224 3 15 15 5 548 Stripper CH 3Cl-kolom vloeistof stoom vloeistof stoom

142

.

142 180 180 3,98 0,382 110 ,1 1000 38 20,25 25-32 258 3 86 86 1 521 145 145 180 180 0,428 0,0927 181 " 1000 35

5,33

25-32 61,9 1 68 68 1 481

-39-PompeD en Kompressoren.

Kompressor voor de voeding~assen.

Het vermogen van een kompressor is P

=

~ 0 AT

e m p

o .

T

s

44

C

berekend u~t de formule.

Kd

T2

_(~)

X

T1

~1

~m op is voor iedere komponent berekend bijT

2 en T1•

Resultaat P - 102,26 kW. _e

KompresBOren voor de methylohloride-absorptiekolom. Deze worden op analoge wijze berekend.

Het drukverloop en effektief vermogen is.

1e kompr~ssor a 1 2,11 atm

2e kompressor I 2,11- 1,31 atm

3e kompressor I 7,31- 20 atm

Pomp voor toevoer verdund zoutzuur

Pa -

~m ~

=

~~(z2-z1)

~m a 1,4315

kg/a

z2_ z1= 5,5 m

dus. Pe - 77,5 kW

Kondensaatpomp van stripper.

~ _m - 2,06 kg/s Z2-Z_1- 16 m dusi P - 330 _e kW P e P e P e aan

Kondensaatpomp van methylohloridekolom.

~m .. 0,031 kg/s

z2-z1= 5,5 m

dusi P -_e 1,7 kW

Voedingspomp van metbylohloridekolom.

~ .. 0,83 kg/s m z2-z1-

3

m p 3 bar dus I P .. 204 kW e

-

140,1 kW = 152,9 kW

..

152,9 kW filmabsorber. • ',t I ",

-40-Konstruktiematerialen.

De te gebruiken konstruktiematerialen V001' de diverse apparaten zijn:

Reaktor

pijpen. monel mantel: vloeistaal Filmabsorber

pijpen. germpr~eerd grafiet (Karbate)

mantel: vloeistaal Watersprocitoren

staal dat aan de binnenzijde geëboniteerd is.

Nat~.nloogsproeitoren

vloeistaal

Zwavelzuursproeitoren Hastelloy - B

Absorptietoren, stripper, destillatiekolom

R.V. staal 316

VIII. Overzicht specifikatie apparatuur

Reaktor I aantal pijpen 818 diameter pijpen 50-57 mm lengte pijpen 2 m diameter reaktor 2,58 m hoogte reaktor 3,35 m

diameter aanslui tingen I

gas in 0,53 m

"

uit _°,58 m dowtherm in '9,068 m uit 0,35 m Filmabsorbeur aantal pijpen 319 diameter pijpen 25-29 mm lengte pijpen

4,4§

.

m diameter absorbeur 0,95 m hoogte absorbeur 5,50 m . ,. -(

,

'-, .t

~

_.

_I

I

I

I

.

I

I

i

-41-diameter aansluitingen: gas in

0,43

m

"

uit

0,31

m zoutzuur in

0,025

m

"

uit

0,029

m koelwater in

0,084

m

"

uit

0,084

m Watersproeitoren hoogte

8,67

m diameter

0,41

m Natronloogsproeitoren hoogte

6,34

m diameter

0,15

m Zwavelzuursproeitoren hoogte diameter Absorptiekolom hoogte kol&m diameter hoogte pakking pakking. ringen di

aciè

ter dikte Stripper hoogte diameter hoogte pakking pakking. ringen

8,24

m

0,48

m

4,25

m

0,49

m

3,64

m

1

. inch

1

inch

32

16 m

0,95

m 15 m diameter Metbirlchloridedestillatiekolom 1 inch hoogte

5,50

m diameter

0,18

m

hoogte pakking pakking I ringen

diameter 1 inch

Warmtewisselaars, koelers, kondensors en reboilers zie tabellen op de pagina's

34

t.e.m.

38.

I

.I