Magnesium uit zeewater

Hoofdstuk

r

Hoofdstuk

Ir

Hoofdstuk I I I Hoofdstuk IV

Q

Litteratuurlijst. INHOUD Bereidingswijzen Productie en gebruik Keuze. proces

Beschrijving van het gevolgde proces

.ot.

De bereiding van Magnesium ZuiVering zeewater

Prec.~pi tatie Mg(OH) 2

-S'e.dimentatie en filtratie Mg( OH)2 Neutralisat1~ met HOI

In4ampenMgCl2 oplossing Electrolyse

Materiaalbalans

B. De kalkmelk bereiding

O~ De chloorverwerking tot HOI

pag. 1

5

6 9 9 10 11 12 15 16 18 21

23

23

Berekening van de cascade koeler. (J • .À.Butter)26 Nomenclatuur

Berekening (F.H.Lommen)

Magnesium uit zeewater J.A.Butter & F.E. Lommen

MAG NES ~ U MUI T ZEE W A T?E R.

Bereidingswijzen.

Schematisch kan men de diverse in gebruik zijnde bereidingsmethoden voor Mg.als volgt weergeven:

MgO Ertsen: MgCO; ~

4

~

Mg-opl. --+Mg(OH)2 -.---..;... MgCL2 (bv.zeewater) Mg --'." Mg

Als ertsen komen in ,aanmerking magnesiet en dolomiet met een magnesium-gehalte resp. van 29~ en 1;~.90k andere ertsen zijn in de loop der tijden gebruikt, doch ze zijn toch om diverse redenen van ondergeschikt belang gebleven.Magnesiet heeft het grote voordeel,dat hieruit door een vrij eenvoudig droog proces zuiver MgO verkregen kan worden, terwijl de verwerking van dolomiet omslachtiger is door de aanwezigheid van Ca. Dolomiet komt èchter meer voor op de wereld.

Er bestaan diverse methodedpm het lastige Ca te verwijderen, waarvan er hier slechts één ter sprake gebracht zal worden, omdat men hierbij zeewater gebruikt.Men kan dit zg. Chesny-proces als volgt weergeven:

calc. +water

----~~ CaO .MgO

+

MgC1

2}

MgS04

---'.~

Mg(OH)2

+

Ca'C12

+

caso4

1

oplosbaar fil tr. calc .. red. MgD :.- Mg

Zowel het Mg uit het dolomiet als uit het zeewater wordt dus gewonnen. Het proces heeft veel toepassing gevonden.

Gedurende de tweede wereldoorlog ontwikkelde zich echter het

Dow-' .

"

proces, waarbiJ als grondstof alleen zeewater wordt gebruikt.Reeds

doch het heeft tot 1941 geduurd,alvorens men een dergelijk proces had

aa~gepast aan de nieuwe grondstof.

Uiteraard moeten zeer grote hoeveelheden zeewater. verwerkt worden om 1 Kg.Mg te verkrijgen en dit is ook een groot nadeel van dit proces .De apparatuur moet groot worden.Het betreft echter voornamelijk de pompen, indikkers, tanks en filters,die in zulke grote afmetingen geconstrueerd kunnen worden zonder al te .grote technische moeilijkheden of al te hoge kapitaalsinvesteringen.De indamp-apparatuur kan gelukkig van beperkte omvang blijven.Bovendien leent het zeewater zich uitstekend tot een

IV'

cotinu-proces.Het bevat niet zoveel calcium en het is in onbeperkte () hoeveelheden beschikbaar.

Het reactie-schema van het proces ziet er zo uit:

Zeewater

+

Oa(OH)2 ~ Mg(OH)2 ;,.

+

HOl -affiltreren

-~. Mg012.aq. 10 MgC12.l~aq. ~ Mgl[(vlb.)

indampen electrolyse bij 7000_0.

De eerste stap betreft dus een behandeling van het zeewater met een Oa(OH)2-suspensie,verkregen door gebrande kalk te behandelen met water, teneinde het Mg(OH)2 afgeSCheiden t~rijgen. van andere bestanddàlen in het zeewater,vaornamelijk zout.Hierna kan men echter twee wegen inslaan:

o

men kan het Mg(OH)2 met 10-20f0ig HOl omzetten in een

Mg~12-opl,die

verder ingedampt kan worden.Men kan ook het Mg(OH)2 verhitten en zo-doende het MgO verkrijgen,dat weer op twee manieren verwerkt kan worden.

ten eerste: directe reductie van het MgO tot Mg.

Als reductie middelen komen in aanmerking 0, OaC2' en Àl. MgO

+

0

Het proces moet bij hoge temperatuur plaatsvinden vanwege het hoge smeltpunt van MgO;dan is echter de reactie omkeerbaar,zodat de ont-wi~kende Mg-damp gemengd met Oo-gas zeer snel moat worden afgekoeld

men met koud H2-gas en verkrijgt dan het Mg in poedervorm,dat via een sublimatie onder hoog-vacuum nog gezuiverd moet worden.Het proces is

VV"~;\

niet van enig gevaar ontbloot, daar

he~poedervOrmig

Mg pyrofoor is en het

ryó11 ~' '

.~ ~ H2-gas~randbaar,terwijl het zuiveringsproces niet continu gemaakt kan ,

A/~

~r worden.Bovendien is het anregie-verbruik hoger dan bij het electrolytische en zijn de investeringskosten zeer hoog.

Om het explosiegeyaar te verkleinen heeft men in Amerika proeven genomen met injectie van minerale oliën ipv. H2.Deze hebben bovehdien een

1 1 - -...

grotere warmtecapaci tei tJ~~de scheiding Mg-olie bleek nog op grote moeilijkheden te stuiten.

o

De reducties met CaC 2 en Al bieden het grote voordeel, dat van ode reactie-producten alleen het Mg vluchtig i s ' B d e kosten voor deze processen liggen zeer hoog en ze hebben dan ook alleen in oorlogstijd toepassing

o

gevonden.

Hier dient nog een thermisch reductie-proces vermeld te worden, dat niet van zeewater uitgaat doch VBn gebrande dolomiet:

8i

+

2MgO

+

!CaO ~ 2CaO .8i02

+

2MgO.

Dit Canadese proces van Pidgeon'schijnt namelijk rendabel genoeg te zijn om ook in vredestijd te kunnen concunreren met het Dow-proces. Men moet echter uitgaan van dolomiet,daar bij gebruik van MgO alleen,Mg-silicaat gevormd wordt.Het komt dus ,gezien onze opdracht niet in aanmerking.

ten, tweede: chlorering van het MgO

(4

+0) tot watervrij MgC12 _.

+

_{CO ( CO 2)}

. . .

Dit water-vrije MgC12 is de beste grondstof voor het electrolytische

proces. Indien men uitgaa,t van een MgC12-opl.,dan blijkt het zeer moeilijk te zijn, om het MgC12 watervrij te krijgen zonder ontleding in MgO en

MgOfJ"l2.

Later bleek het echter zeer goed mogelijk te zijn ,om MgC12,dat nog

.

a~ce-..e

kristalwater beva4tte met succes te electrolyseren,zodat het grotJ'"van de chlorering van MgO wegviel en men dus slechts de nadelen van een

I,

I

~

,

dergelijk procede~als grote corrosie en moeilijke constructie, overhield. He:t omzetten van Mg(OH)2 tot Mg01 2 biedt weinig problemen.Het indampen en drogen brengt echter de genoemde moeilijkheden van ontleding met zich mede. men heeft dit trachten te ondervangen door te drogen in een

HOl of 012-atmosfeer met alle nadelen daarvan.Gedurende de oorlog ontwik-kelde Dow echter een cel-type, waarbij een voeding van MgC12.l~aq. ge-bruikt kan

w~den.D~

_{ontleding is dan zeer gering en men kan het Mg01 2} dus op normale wijze'drogen in ovens,ve!,stuivingsdrogers enz.De cellen moeten wel continu gevoed worden,t~rwijl het electrolysebad toegevoegd NaOl en Ca012 bevat ter verhoging van de geleidbaarheid en fluïditeit,

o

en ook ter verhoging van de· dichtheid, zodat het gevormde,vloeibare Mg

')

bovenop blijft drijven.Het is voor meer dan 99,9~ zuiver en hoeft dan ook niet meer getblimeerd te worden.

~~.l Hier dient nog vermeld te worden een nieuw Duits proces.van I.G.Farben.

~ \~'

Hierbij wordt het zeewater behandeld met gecalcineerde calciet of

\~t\W'/

dolomiet,

waarn~ óie~

afgefil treerd wordt, maar alleen ingedikt en

vervol-gens~eZeingedikte Mg(OH)2-suspensie behandeld wo~dt _{met CO 2,waardoor}

.

het Mg in oplossing gaat als bicarbonaat,terwijl het Oa als carbonaat

neergeslagen blijft en afgefilfreerd kan worden.Het filtraat wordt verwarmè () en sterk geroerd,waardoor 002 ontwijkt en MgOO, in goed filtreerbare vorm

neerslaat.Di~t wordt daarna licht gecalcineerd tot een samenstelling MgO.MgOO"dat als voeding dient voor de chloreringsovens.Hoewel ons de

laatste stap niet aantrekkelijk lijkt,moge de belangrijkheid van dit proces blijken uit het.feit,dat Duitsland getracht heeft zijn Mg-pro-ductie te verdubbelen door het oprichten van twee grote ~abrieken,die XM

volgens dit schema zouden werken .• Door oorlogshandelingen gingen ze echter verloren en daardoor heeft dit proces nooit de kans gekregen om zijn

0

o

Productie en gebruiK:

De wereldproductie van Mg heaft in de loop der jaren een zeer wisselvallig verloop gehad.Vanaf 1909 brachten de Duitsers hun

Mg-alliages op de markt,maar pas gedurende de eerste wereldoorlog begonnen Amerika en Engeland zich met'de Mg-fabricage bezig te houden.Gedurende de crisis werden echter bv. in Amerika alle fabrieken op één na gesloten. Maar in de tweede wereldoorlog $teeg de Amerikaanse productie tot ongekenl hoogte om daarna weer terug te va~len tot 6~ van de capaciteit~~

Eén en ander moge blijken uit de, volgende cijfers:

(productie in metr. tonnen) 1943 1949

Amerika 166 500 10 500 Enge'land 19 100 5 100 Duitsland 32 400

- -

_• Rusland _{5 000} 5 000 Overigen 14 800 900 Totaal 237 800 21 '500

De voornaamste toepassing ligt nog steeds in de vliegtuigindustrie en omdat hiervoor zoveel nodig is geweest,heeft men geen of weinig aandacht geschonken aan andere mogelijkheden.Men krijgt de indruk ,dat hieraan nu weer wat meer aandacht besteed wordt.Bijna alle Mg-alliages zoals Dow-metal en Elektron-metall bevatten meer dan 90f0 Mg en zijn uiterst

licht en geschikt voor a&lerlei gietwerk en extrusie,terwijl de bewer-kingskosten meestal zeer ~aag liggen.

De impor~ en export-cijfers voor Nederland bedroegen voor 1952:

Import.

ruw

4

+

afval 108.000 Kg. ter waarde van

F.410.ooo.-, Export.

ruw

+

afval 53.300 Kg. ter waarde van

F.108.00o.-De import geschiedde hoofdzakelijk uit Engeland,Canada en Zwitserland, terwijl het meeste werd geexporteerd naar \1.Dui tsland.

Keuze proces:

Vie hebben ons bij deze keuze ~aten leiden door economische overwe-gingen en, daar we ons wilden baseren op een te projecteren bedrijf in Nederland was de voornaamste factor wel het electriciteitsverbruik. Uit de ons ter besvhikking staande gegevens bleek het Dow-proces het laagste' verbruik te hebben nl.17,5KwhjKg.Mg. Bij het Duitse proces, waarbij het MgC12 geheel watervrij gemaakt wordt is het electriciteits-verbruik niet veel hoger ligt,heeft men echter het grote nadeel van een chloreringsproces bij hoge temperatuur,waarvoor ook eletriciteit

.

'

,

benodigd 1 s, He't g~wone indampprocede van Dow leek ons in dit geval

() aantrekkelijker.Een feit is,dat Dow de goedkoopste Mg.op de markt kan brengen voor ongeveer F.l,85/Kg.Mg.De kapitaalsinvesteringen schijnen

o

voor alle genoemde processen groot te zijn,maar het Dow-proces leek ons

aex

technisch het

gema~kkelijkste

uitvoerbaar,zodat het

waars~ijn-lijk de laagste investering zal vergen.

Opgemerkt dient te worden, dat de vraag,of een Mg-productie lonead zo~ zijn ook in hoge. mate afhangt van de afzet van mogelijke bijproducten als broom en ka:lium-verbindingen,terwijl ook sl~hts een grote Mg.-productie lonend schijnt te zijn.Op het ogenblik is de toestand

daar-voor'niet gunstig,gezien de 'zeer grote daling van de Amerikaanse productil in de jaren na de oorlog.Deze productie was geheel a~gestemd op de

vliegtuigindustrie.Maar het komt ons voor,dat,Mg vee~ meer toepassing kan hebben.We denken bv. aan de automobielind'ustrie en spoorwegen. Ook voor licht gereedschap,meubels en huishoudelijke artikelen kunnen Mg-alliages gebruikt worden.

Hoewel we er ons terdege van bewust zijn,dat,vooral vanwege het ont-breken van goedkope electriciteit,een M~ Mg-fabricage ±a bij nadere bes,tudering in Nederland niet mogelijk zal kunnen zijn,hebben wé ons toch op een productie in Nederland gebaseerd.Een jaarproductie van

maximaal 1000 ton per jaar leek ons verantwoord, waarbij vooral gedacht werd aan export naar Duitsland,dat zélf op dit moment verstoken is van

zijn magnesiumfabrieken,die in de Russische sector gelegen zijn.Enge-land is verreweg de grootste,Europese producent, terwijl vermoedeljik Frankrijk, Zwi tserland en Italië nog kle·ine' hoeveelheden voortbrengen. De; ui tmonding van het Noordzeekanaal bij Velsen komt o. i. het meest in aanmerking voor de vestiging van een dergelijk bedrijf,daar de geogra-fische omstandigheden hier zo zijn,dat men verzekerd kan zijn van een goede aao-en afvoer van het zeewater.Ook voor de aanvoer van de benodigde kalksteen is de ligging geschikt,terwijl verder het H2-gas betrokken

kan worden van de M.E.K.O.G.Deze maatschappij houdt zich bovendien reeds bezig met de afscheiding van Kaliumzouten,zodat het te vestigen bedrijf gecombineerd kan worden met deze industrie.

Zoals reeds was opgemerkt hadden we onze keuze laten vallen op het Dow-proces.Wij hebben gemeend,om op diverse punten de uit-voering

van het proces te wijzigen~om het één en ander meer in overeenstemming te brengen met de kleinere productie van dit bedrijf in vergelijking met dat van de Dow-maatschappij in Texas.

Bij Dow wordt het Mg(OH)2 niet gew~ssen,doch direct gemengd met ver-() _{dund H01,waaraan wat H2S04 is} toegeVOeg~~De volgende stap is een

con-centratie van de zo ontstane 15fo-ige MgC1 2-oplossing tot 3Sfo

tB

door verstuiving in een stroom van hete gassen.Nadat deze oplossing is ge-koeld wordt het uitgekristalliseerde Naql en OaSo4 afgefiltreerd.In open ketels,waarin zich hoge-drUk stoomleidingen bevinden,en daarna in een soort Herreshof-oven wordt nu verder ingedampt, totdat men het Mg01 2 ·liaq.overhoudt.

Wij,daarentegen,stellen ons voor,om eers,t het MáOH)2 te wassen en daarna dit gereinigde precipitaat' oP\te lossen in 20f0-ig H01.De zo verkregen l7fo-ige MgC1 2-oplossing zal slechts weinig NaOl en CaC1 2

o

o

bevatten.Het indampen kan dan ge.beuren in èen Kestner-verdamper,ter-wijl voor de laatste stap een verstu1vingsdroger wordt gebruikt,waar-na het UgC12.l~aq.verkregen wordt.

Voor de electrolyse hebben wij lagere stroomsterkten gebruikt nl. 23500 amp.Dow gebruikt stoomsterkten tot 70000 amp.Men heeft dan echter ve~l grotere transformatoren en gelijkrichters

nOdig,ter-'wijl men verder rekening moet houden met het feit,dat de transformator-verliezen evenredig zijn met het kwadraat van de stroomsterkte.

o

o

H 0 0 F D S TUK 11

===:;;:::::::: ----=;::;

Beschri,jving van het gevolgde proces,

Bi.j het gekozen proces wordt het magnesi um uit het zeewater afgeschei-den door precipitatie als magnesiumhydroxtde. Dit wordt bereikt door toevoeging Van kä~kmelk. Het ~eerslag wordt van de vloeistofgescheiden en vervolgens opgelost in zoutzuur. De verkregen magnesiumchloride

oplossing wordt ingedampt tot droog, waarna het vaste zout in gesmolten toestand wordt gebracht en aan een electrolyse wordt onderworpen.

Hierbij ontstaat 'dus het eindproduct magnesium, en tevens chloorgas. Dit chloorgas wordt omgezet in zoutzuur, hetgeen weer gebruikt wordt voor de bereiding van magnesiumchloride.

Achtereenvolgens wordt nu besproken: A. De bereiding van magnesium. B. De' bereiding Van kalkmelk. C. De bereiding van zoutzuur.

iA. 1:le bereiding van magnesium,'

Zeewater bevat circa 1,27 kg. magnesium per 1000 kg. Dit cijfer is gebaseerd op analyses van

77

representatieve monsters zeewater,genomen uit a11e oceanen. In onderstaande tabel staan de elementen vermeld, die in zeewater voorkomen in concentraties groter dan 1 mg. per kg.

T'abe'l ,I.

Element mgjkg Element mg/kg Element mg/kg

Chloor 18980 Calcium 400 Strontium ₁₃

Natrium 10561 Kalium ;80 Borium _4,6

Magnesium 1272 Bromium ₆₅ Silicium 0,02 - 4,0

Zwavel. 884 Koolstof 28 Fluor 1,4

-o

o

\ianneer men zeewater neemt als grondstof voor de- productie van magnesium, moet men er mBe rekening houden, dat men geen zuiver zee-water kan gebruiken, doch in plaats daarvan kustzee-water. Dit heeft ten-gevolge van vermenging lIe't zoet water ( rivierwater e.d.) een lager

magnesiumgehalte. In dit verband is het van groot belang, dat de fabriek geplaatst wordt aan een kust, waar een krachtige golfstroom oceaanwater aanvoert en waar in de nabijheid bovenstrooms geen grote rivieren in zee uitmonden. Het afgewerkte zeewater moet uiteraard benedenstrooms geloosd worden.

Zuiver zeewater heeft een s.g. 1,026'. Het soortelijk lichtere rivier water, regenwater e.d. zal zich hoofdzakelijk aan de oppervlakte bevin-den. Dit is de reden waarom het voor het proces benodigde zeewater wordt aangepompt van

7 -

10 m. beneden zeeni~eau. Het zeewater moet nu eerst gezuiverd worden van verontreinigingen. Dit geschiedt als volgt:

Het zeewater wordt opgepompt uit een ca. 12 m. diep kanaal, dat recht-streeks in verbinding staat met de zee. Dwars in dit kanaal is een betonnen wand aangebracht tot op een dièpte van

7

m. onder het water-nivealX. Door deze wand wordt oppervlaktewater en tevens drijvende

ver-ontreiniging tegengehouden. Beneden de betonnen wand, tot aan de bodem van het kanaal bevindt zich aen roosterwerk waardoor grove verontrei-nigingen zoals vissen en planten en gezonken voorwerpen worden geweerd. Vervolgens wordt het grootste deel der kleinere verontreinigingen ver-w.ijderd door middel van een in het water 'onder een helling opgestelde eindloze transportkettingband. Hierdoor wordt het zeewater gefiltreerd. De kettingband (~ in. mesh zeef) werpt de afgescheiden verontreinigingen af op een tweede,horizonta:al opgestelde, transportband, waarmede het vuil verder afgevoerd wordt.

o

o

Achter deze waterzuiveringsinstallaties bevinden zich de zUigleidingen Van de voedingspompen. Volgens gegevens van de "Dow Chemical Company, Freeport, Texas ti ( 1) wordt door toepassing van de betonnen wand en

van zuigleidingen reikend 7-10 m. onder het wateroppervlak, water op-gepompt, d'at voor oa. e~'-901o uit zeewater bestaat. Nemen wij aan, dat de voeding voor 85~ uit zeewater bestaat~ dan bedraagt het magnesium-gehalte van de'voeding dus: 85/100 x 1,27'

=

1.08kg. per 1000 kg.

Voor een productie van 1.000.000 kg. magnesium per jaar; d.i. 1',90 kg. per minuut, is dan benodigd 1760 kg. zeewater per minuut netto.

Rekening houdend met een overall verlies aan magnesium tijdens het

proce.s van

2.510.

moet de invoer dus bedragen

23.50

kg zeewater per minuut p

d.i. 23001/min. Benodigd drie pompen, ieder met een capaciteit van 1200 l/min. (twee pompen in gebruik, een besohikbaar voor reVisie)

De pompen voeren het zeewater in een bezinktank, waarin zich het mede-gevoerde zand kan afzetten. Aangenomen wer,d dat een verblijf tijd van

twee uur in de tank voldoende is, voor het verkrijgen van een heldere overloop. Het volume van de bezinktank wordt dan 276 m

3 •

Tevens wordt hut water hier gechloreerd tot een gehalte aan vrij chloor van 0,2-0,5 mg.!kg. teneinde de groei van zeeplanten te verhinder~n.

Via de overloop stroomt het water in het aanzuigbasin van de pompen. Uit het aanzuigbasln wordt het water d.m.v. twue pompen

(+

1 reserve pomp) ieder met een capaciteit van 1200 l/min. naar de neerslagt~nk gepompt via een goo.t, waar tevens de benodigde hoeveelheid kalkmelk

C'

25

l/min. oonoentratie 240 g. CaO per liter) wordt toegevoegd, ten-einde een goede menging te verkrijgen! In de tank is een krachtig werkende roerder geplaatst. Krachtig roeren tijdens de precipitatie bevorder~ de vorming ~an een gemakkelijk bezinkend en vlot

~~~--~---~----0

o

baar neerslag van magnesiumhydroxyde" Een juiste instelling van de pH ~.a.w. een juiste dosering van de kalkmelk is zeer belangrijk. Bij toe-voeging van een hoeveelheid kalkmelk,aequivalent aan de hoeveelheid in het zeewater aanwezige magnesium, blijft een aanzienlijk~ percentage van het magnesium in oplossing door een te lage pH.

Het oplosbaarheidsproduct: [Mg·:].

[OH~2

= 1,2 • 10-11 bij 1800. Voeren we door toevoeging van een overmaat Oa(OH)2 de pH op tot 11

~ ~

. -5

dan is delMg"·J nog slechts = 1,,2 • 10 •

De oorspronkelijke (Mg· ~ in het zeewater is ca. 4,5' • 10-2

Bij een precipitatie van Mg(OH)2 bij een pH = • 11,. blijft dus ca. 1,2 • 10-5 _=.

0,.028: 10 in oplossing. Bij een pH =10 is het verlies 4.5 • 10-2

aan magnesium ech~er 100 x zo groot.

Er is echter nog een tweede zeer belangrijke reden, waarom een overmaat kalk moet worden toegevoegd. Volgens tabel I bevat zeewater 4,7 mg. borium /kg. Dez'e geringe hoeveelheid borium kan het proces zeer ongun-stig beinvloeden. Voegt men aan het zeeater een hoeveelheid kalkmelk toe, juist voldoende om pra.ctisch alle magnesium als Mg(OH)2 neer te slaan, dan wordt nagenoeg alle borium aan het precipitaat geadsorbeerd. In het verdere verloop van het proces raakt men het borium niet mmer

kwijt~ zodat het uiteindelijk in de electrolysecel terecht komt.

Het gevolg hiervan is, dat ca~ 10 x de normale hoeveelheid sludge in de cel gevormd wordt, waardoor de Mg productie slechts 1/3 is van de verwachte. Door toevoeging van een geringe overmaat kalkmelk (ca. 110) wordt de adsorbtie van borium voorkomen volgens W.? Schambra ( 1 ) Deze 1

fo

overmaat kalk brengt de pH

=

11, en is ook nog juist oplos-baar. N~men wij aan dat een verblijf tijd van 20 minuten in de tank voldoende is voor de precipitatie, dan moet de tank een volume hebben van ca. 50 m3.

o

o

: ,

De verkregen verdunde suspensie.'van,magnesiumhydroxyde moet nu worden geó'oncentreerd en wordt daarto~ vèrpompt naa~ een Dorr indikker ~ De verblijf tijd in deze indikke:r', werd' evenals bij het proces van The Dow Chemical

èomp~ny

genomen op 24

uur~'

Het volume van

def~dikker

wordt dan

3350 m3 (

dia~e~er

211 /,

hO~g~~

5

.:~m

t>

Het overloopproduct van de'

indik~er,

pirca 2300

l/m~n/,

is afgewerkt

. . ' '. ; ( i ' " . ~ .

zeewater en wordt naar zee géloosd. Het ingedikte product,<41,7 l/min~),

• f .~

Dorrco

' . • . ' 7

slurrypompen naar de Moore filters verpompt~ Hier wordt het Mg(OH)2 precipi taat verder ontwaterd tot een geij;al te van 320

kg~'

per m3

~

Een fitter bestaat uit een frame, waarom een zak van filterdoek is getrokken~ aet frame is reohthoekig en gemaakt van geperforeerde pijp aangesloten aan een vaouuminstal!atie~ Diohtklappen'van de zak wordt voorkomen ddor houten latten die in die zak zijn genaaid~ Wanneer het filter wo~dt ondergedompeld in de te filtreren vloeistof en inwend~g vaouum op het filter wordt gezet, wordt de koek gevormd aan de buiten-kant van de zak" terwijl het filtraat naar binnen wordt gezogen:

Een aantal filters, naast elkaar geplaatst en onderling verbonden, vormt een filtergroep; waarvan d'e oapaoi tei t reohtevenredig is met het aantal-filters vermenigvuldigd met het oppervlak van de twee zijvlakken ven een fil ter ~ Wanneer een koek van voldoende dikte gevormd is, wordt de filtergroep met behulp ven een hijskraan uit de filtertank. gehesen

(waarbij continu: het Vacuum wordt gehandhaafd) en overgebracht naar een andere tank waarin zich vers water bevindt en waar de filterkoek wordt uitgewassen: Na beëindiging v'an het wassen wordt de groep opnieu~ getransporteerd (onder- continu vacuu,m) naar de afblaast ank : Hier wordt het vaouum vervangen door perslucht,. waardoor de koek wordt afgeblazen.

o

het doek verwijderd: 1. Door zijn eigen gewicht. 2. Door het doorpersen

van~wtt~.

Door het klapperen van het doek.

De voordelen van Moore filters zijn: 1. Eenvougige ,~~r;KwlJ'z~,

a.

Gemak-kellbSke inspectie van de filterdoeken na afblazen van de koek, 3. Een-voudiige vervanging van. een beschadigd filter door een nieuw. 4.Geschit.t voor grote hoeveelheden •

. Een nade~l is echter, d·at tijdens het transport van tank naar tank koek verloren kan gaan. door vibratie. Indien plaatselijk koek van het filter is gevallen, is de wassing inefficient.

Na de filtratie bevat de filterkoek cirça 320 kg Mg(OH)2

I

m3 , d.w.z. dat nog ongeveer 73 ~ (gew.) zeewater in de koek aanwezig is,. waarin zich zouten bevinden, hoofdzakelijk NaCI en CaCI 2é Deze zouten moeten gedeel-telijk verwijderd worden, aaar in een later stadium van het proces, n.l. bij het indampen van de MgC1 2 oplossing, deze zouten zich zouden afzetten in de verdamplichamen. Volledige verwijdering is niet noodzakelijk en

j

zelfS niet gewenst daar uiteindelijk bij de electrolyse van het MgC1 2 een badvloeistof met een niet te hoog smeltpunt noodzakelijk is. Door de aanwezigheid van: NaCI en liJaC!2 wordt het smeltpunt verlaagd.

Wanneer we aannemen dat voor de vorming van een filterkoek van 1 cm. dikte het uitwassen van de koek en het afblazen totaal een tijdsduur van

4

uur nodig is, dan volgt voor het benodigd filteroppervlak A (in dm2 )

O,,!. • A.

=

4 .;

60 • 1 T,,8~ waaruit volgt: A

=

43000 dm2

Dit komt overeen met 60 filters van 2,44 m. bij 1,52 m. (8 x 5 ft.) Deze 60 filters zij verdeeld over 3 groepen van ieder 20 filters, zodat steeds aen groep beschill'.:baar is voor filtreren, wassen en afblazen.

o

o

De filterkoek wordt met behulp van een transportschroef uit de afblaas-tank verwijderd en naar de menger vervoerd j In deze tank word~ de koek

met ger'écirculeerde 16 foige MgC1 2 oplossing opgeroerd om een verpompbare slurry te verkrij~en. De menger dient tevens als buffertank, om de dis-continuiteit van de filtratie op te vangen. De gemiddelde.koekproductie bedraagt 17t8 l/min. Teneinde een v:erpompbare slurry te verkrijgen wordt hieraan .10 L. MgC1 2 oplossing per minuut a.an toegevoegd. Bij aan-name van een buffertijd van 6 uur, moet het volume van de menger dus bedragen 6 .60 • (17,8

+

10)

=

tO.COO 1.

=

10

m'.

Een slurrypomp met een capaciteit van 30 I/min. pom~tde massa naar de neutralisatietank. In de persleiding bevindt zich een doseringsmechanisme waarmede de voor de neutralisatie benodigde hoeveelheid 20 foige zoutzuur

kan worden geregeld. De menging geschiedt met behulp van een injector, die onder het vloëistofniveau van de neutralisatietank is opgesteld, teneinde de neutralisatiewarmte af te voeren. De zoutzuurleidingen en het roermechan1sme z~ met rubber bekleed, d~eutralisatietank is met baksteen gevoerdj Voor de neutralisatie ~s benodigd

35,8

kg (=

32,5

1)

20 faig zoutzuur. De pH van de oplossing wordt hierbij gebracht op 6,5. Verkregen wordt een 16,4'foige MgC1 2 oplossing, s.g. ca. 1,15. Van deze oplossing wordt, 10 l/min. teruggevoerd naar de menger voor oproeren van de fil ter'koek en 49,5 l/min. naar het verdampstation. Om te voorkomen, dat onopgelost magnesiumhydrox~de wordt meegevoerd, worden de zuiglei-dingen van defoompen niet in de neutralisatietank geplaatst, maar in een aanzuigbasin. Via een overloop verlaat de heldere MgC1 2 oplossing de neutralisatietank en vloeit naar dit aanzuigbasin. De verblijf tijd in de tank, nodig voor het oplossen van het magnesiumhydrox,de werd gesteld op

o

De volgende stap in het proces ia het indampen van de 16 faige MgC12 op-lossing. Hier bij .zijn verschillende moeilijkheden te overwinnen. Zoals· uit onderstaande gra1iek blijkt, naderen bij concentraties hoger dan

35fa,

vriespunt en kookpunt van Mg01 2 oplossinggen elkaar snel om'bij

50fa

oplos-sing vrijwel samen te vallen. Bij indampen van de oplosoplos-sing tot een con-centratie van

b~v.

40 - 45·

fa

bestaat-....-~~evaar,

dat bij geringe

---~

de massa uitkristalliseert wa.ardoor leidingen zouden verstoppen.

o o

~

Kookpunt

1

I 50 55

fa

MgC1₂ afkoeling

S:tolpunt- en kookpuntkromme van Mg01 2 oplossingen.

Een tweede moeilijkheid is, dat bij plaatselijke oververhitting het mag-nesiumchloride gaat reageren met zijn kristalwater onder vorming van magnesiumox1de en zoutzuur. Deze moeilijkheden worden nu als volgt opge-lost. Het indampen geschiedt in drie trappen:

le. Van 16

fa:

tot 35 ~: in een ICestner verdamper. Daar het stolpunt van deze oplossing ca. 2000. is, bestaat er bij verpompen van deze oplos-sing geen gevaar van uitkristalliseren.

2e. Van 35

fa

tot 46,8

fa

in een open indamppan met behulp van hogedrukstoom van 26 atm. 2110_{0. Het ontstane Mg01 2}

.6

_H20 rue~ft een kookpunt 16000. en een stolpunt 1200_{0. Via een goed geïsoleerde, korte leiding wordt}

o

o

(.,

3e. Van 46,8

10'

tot 75

10'

in een verstui vingsdroger • Deze drogers zijn bijzonder geschikt voor het drogen van warmtegevoelige stoffen. De voordelen van een verstuivingsdroger zijn de korte contacttijd en het feit dat de vloeistofdruppels koel blijven tijdens het

ver-j

dampen in de hete zone van de droger, terwijl op het tijdstip dat de druppels droog zijn. de omringende gassen zijn afgekoeld door het verdampingsproces, zodat geen gevaar voor oververhitting be-staat. Volgens een opgave in Perry (pag.

845)

wordt bij een lucht-inlaat temperatuur van 8l0oF. en een luchtuitlaat temperatuur 305°F. van een magnesiumchloride oplossing die 52 fa water bevat, 1140 lbs w~ter per uur verdampt, onder vorming van MgC1_{2 .2} H₂0. De afmetingen Van de droger zijn in dat geval ~ 18 ft, hoogte 18 ft.

In ons geval meet verdampt worden 8,6 kg water per minuut, van een ~:oplossing die

53 10

water bevat. Dit komt dus vrijwel overeen met

het in,Perry beschreven geval, zodat onze keuze op deze verstui-vingsdroger gebaseerd is.

R.M. Hunter ( 2) geeft in zijn artikel "The Electrochemistry of the Dow Magnesium Processlt _{een analyse van het product dat uit de droger}

komt. In onderstaande tabel zijn deze cijfers vermeld. Tabel 11

Samenstelling pr oduct uitverstui vingsdroger •

:

MgG1_{2 75}

₁₀

_{GaG12 0,~5}

₁₀

MgO ₃

₁₀

' H₂0 ₂₀

₁₀

o·

Beschrijving van het electrolyseproces.

De electrolyse wordt uitgevoerd in rechthoekige stalen potten, 2,80 m. lang, 1,.50 m. breed en 1,40 m. diep. De pot is tevens kathode; de ano-den zijn staven van grafiet, diameter 20 cm., lengte 1,75 m. Per cel zijn er 15 anoden, die voor ca. 80 cm. in het bad zijn gestoken. Het

ba~ is voor ongeveer 90 cm. gevuld. Aangenomen is, dat de gemiddelde hoogte van de sliklaag 10 cm. 'Pedraagt.

E~moet geproduceerd worden 2,0 kg Mg/m.in.

Per gramatoom Mg is benodigd 2 x 96.500 Coulomb, d.i. 8300 C/gr.Mg Er zijn 15 cellen, waarvan er 14 continu in bedrijf zijn, de resteren-de cel is beschikbaar voor revisie en onresteren-derhoud.

De productie per cel bedraagt dus: 2~~0 = 143 gr Mg/min ~ ;::: ·2,38 gr Isec. Aangezien het nuttig stroomverbruik 80?& is, vinden wij voor het beno-digd'e amperage: 2,,38 x 8300 x l~g = 23.500 A.

De hierboven opgegeven cel- en anodeafmetingen zijn zodanig bepaald, dat bij de berekende stroomsterkte, de stroomdichtheid aan anode en kathode 0,3 A/cm2 bedraagt. Dit cijfer wordt opgegeven door R.M.Hunter

( 2) voor het Dow proces, ( 2 A/in.2)

De badspanning bedraagt

6

Volt. Voor

14

cellen in serie is dus een

span-o

ning van

84

V. v;ereist.

Het energieverbruik bedraagt: 22.200 x 6'x:14 = 16" kWh

I

kg Mg.

2,0 x

60

x 1000

De warmte, nodig voor het smelten van het zoutmengsel en het handhaven Van een temperatuur van 6,0-70000, wordt deels geleverd door de elec-trische weerstand van het bad, deels indirect d.m.v. een oven waarin iedere cel geplaatst is.

Het magnesium, dat in gesmolten toestand tijdens de electrolyse vrijkomt, aan de kathode, stijgt naar de oppervlakte,w~arbij het met behulp van

\ .'.

in het bad geplaatste schotten, naar een ringvormige goot wordt geleid .• Het metaal wordt enige malen per dag afgeschept.

ui tgevoerd .. He,t smeltpunt is hoog, 712 0C. t en de electrische geleid-baarheid is laag. Doo~ toevoeging van chloriden van de metalen uit de alkali en / of aardalkaligroep, die allen een hogere ontledingspoten-tiaal dan MgCl2 hebben; wordt het smeltpunt verlaagd en tevens de ge-leidbaarheid verhoogd'. Een derde pun~ waar rekening mee gehouden moet worden, ls het s.g. van het mengsel. Dit moet n.l. groter zijn dan het s!g. v:an magnesium, zodat het vrijgemaakte magnesium komt bove9drijVen en kan worden afgeschept.

I~

Een geschikte samenstelling \ vo],.gende: 25

fa'

MgC12, 60

fa

van het bad is volgens R .. M"Hunter ( 2) de NaCl en

15

fa

CaC12.

Tijdens de electrolyse vormt zich op de bGde~van het bad een slik, dat van tijd tot tijd moet worelen verwijderd. R.M(oHunter geeft ook de sa-·menstelling Van het slik: 46,0

fa

NaGl, 11,5

fa

CaC12, 19.2

fa

MgG12, 19,8

fa

I

MgO en, 3,5

fa

v:erontreinigingen,. Per 100.0 kg geproduceerd magnesium moet ca. 315 kg slik worden afgevoerd en moet ca. 5200 kg voeding uit de verstuivingsdroger worden toegevoerd. De' hoeveelheid CaC1 2 die zich in de voeding bevindt (zie tabel 11 op de vorige pagina) is vrijwel gelijk

o

aan de hoeveelheid CaC1 2 die met

he~

slik wordt afgevoerd. Om de samen-stelling van het bad constant te houqen. moet echter per 1000 kg voeding ca. 20 kg N~'l extra worden toegevoegd.

Het product. afkomstig uit de verstuivings~roger wordt op een transport-band opgevangen, die het vervoert naar de electrolysecellen. De extra NaGI wordt continu m .. b .. v. een hopper' op deze transportband toegevoegd ~ De transportband stort het mengsel in een hopper, waarmee een transport goot gevoed wordt .. Door m:iddel van een sleepketting in deze goot worden de electrolysecellen continu gevoed.

0

Het chloorgas dat aan de oppervlakte van de grafietanoden vrijkomt, stijgt op en wordt naar de zoutzuunfabriek gevoerd. Het ontwijkende gas is een mengsel van chloor, zoutzuur, w~terdamp, kooldioxide en lucht. Teneinde de samenstelling Van het gasmengsel bij benadering te bepalen, is een globale b.erekening uitgevoerd. In het .electrolysebad vindt een ingewikkeld systeem van reacties plaats:

Door de electrolyse wordt aan de kathode Mg en H2 vrijgemaakt en aan de anode 012 en 02. Er wordt n.l. een klein gedeelte van het in de voeding aanwezige water ontleed. De gevormde waterstof en chloor reageren bij de hoge temperatuur onder vorming van zoutzuur, Een deel van de gevormde

zuur-stof reageert met de k09lzuur-stof van de anoden onder vorming van koolox~den. Een deel van het magnesiumoxYde, aanwezig in de voeding, reageert met chloor onder vorming van magnesiumchlor1de en zuurstof. Uit de praktijkgegevens van het Dow proces is gebleken, dat de gemiddelde grafietconsumptie van de anoden 0,.1 kg per kg gevormd magnesiummetaal bedraagt. Aannemende' dat alle gevormde waterstof wordt omgezet ~n zoutzuur, dat alle geconsumeerde grafiet wordt omgezet i~ kooldioxyde en dat de hoeveelheid binnengelekte lucht

5

~

bedraagt van de totale hoeveelheid gevormd gas, wordt voor het afgevoerde gasmengsel de volgende samenstelling gevonden

,

_•

0:12

_3,47

kg =

48,9

mol./inin. HOl

2,.12

kg =

58,.1

mOl./min.

002

I

16,6

mol./min.

0,73

kg = H

₂

0

1,49

kg =

8'2,7

mol./min. Totaal

7.81

kg: =

206,3

mol ./min4O Lucht Ot'~ kg

₌

10,t3 mol ./inin.

o

o

ö" %~g Zeewater s .g. 1,022

t

MitTER:IAALBALANS

?:<)on ~Lmi n _{25 l/min •.}

Kalkmelk

240 kg CaO/m3 ;

( 2 ,54 kg Mg /mi n • ) dl _{lil (5,97 kg CaO/ini n.)}

Neerslagtank _t---~ -"'" In oplossing b~ijft 0,110 Mg

2325 l/min.

(6,,11 kg Mg( OH)2 /min.)

(= 453 kg Mg/min.)

t---~ Overloop 22eS l/min. Dorr Indikker Mgp~ 0,12 kg/min.

Mg verlies ~

=

0,05 kg/min.

42

l/min.

~

(5,99 kg Mg(OH)2 /min.) , (= 2,48 kg Mg/m1n~)

M'oore Filter +-_ _ -"'~ Filtraat 24 l/min.

Mg(OH)2 0,30 kg/min. Mg verlies

510

= 0,12 kg/min. ~ Filterkoek 21,1 kg/min (5,69 kg Mg(OH)2 /mllin.) (= 2,36 kg Mg/mrn.) Mengel" ,~ Pasta 32,6 kg/min. 10 1/mim.=11,5 kg/min. j~MgC12 oplossing '51) 8 kR/min.1 . - - ... HC,l 20

faig,: ,

Neutralisatie 1 000 t a n k " s.g. " ,

·0

NaCl 0,20 kgfmin. ----.-'; .... - - 1

-Onod'egrafiet 0,,20 kg/i:nin. Kestner.

v~erd~~p_er. 30 ,,4 kg H20 /min. _{0. ,09 kg} MgCl~/min.

Mg verlies 1%=0,02 26,4 kg MgC12 opl./min. (9,26 kg MgC1 2/min.) (= 2,34 kg Mg/min.) ~ I kg/min. 6,7 kg H_{20 /min.} 0,10 kg MgC12/min. Mg verlies

=

0,03 kg/min. ~II 19,6 kg vloeiH .MgCI_Z,.6 H_{20 /inin.}

(9,16 kg MgC12/min.J

t=

2,,31 kg Mg/min.) Verstuivings d'roger . Electrolyse cellen

8,6

kg H20 /min. - 0,46 kg MgC12/min. Mg verlies 5~ 0,12 kg/min. . , g poeder min. Slik 0,7 kg/min.

~.

';.' Sotu 21fvk·erlies bl;" j voeding ~~---~_.~ Electro1ysegas ~~~ ___________ ~

o

Kalkmelk-bereiding.

De aan te voeren kalksteen wordt bij een temperatuur van ongeveer 13000C.gecalcineerd tot CaO in een raterende ovenjlengte 20 m. uitw.diameter 180 cm~gevoerd met vuurvaste steen, dikte l5cm. Aangenomen werd een verblijf tijd van ongeveer 200 minuten.De helling van de oven bedraagt dan 1,2°,terwijl de rotatiesnelheid 36 omw./uur is.Onder deze omstandigheden is de maximale productie: 10,3 ton CaO per dag, hetgeen 2010 meer is,dan nodig is voor de mag-nesiumfabriek.De voeding bedraagt dan ongeveer 860 kg/uur.

Uit de oven komt het CaO in een roterende koeler, lengte 8 m.diameter 150 cm.Deze is voorzien van een buizenstelsel,waar omheen lucht wordt geblazen.De· zo verwarmde lucht k'an dan meteen dienen voor de olie-branders van de oven.

blusser

Hierna komt de CaO in een roterende x~ammBt,die x aan de binnenkant is voorzien van ·schoepen.stenen e.d. worden uitgeworpen en de

gevormde kalkm~l~stroomt via een gootje naar een opslagtank, voorzien van een roermechanisme'.Capaciteit van de tank 3 m3.

Vanuit deze tank wordt de suspens'ie opgepompt naar een indikker met een inhoud van 285 mD.Aangenomen werd e~n bezinktijd van 72 uur.

o

,Ingedikt wordt van

96

kg Cao/m3 tot

~40&cao/m3

/

Deze laatste suspensie wordt dan gepompt naar de n~erslagtanks van de magnesiumfabriek met een snelheid van 25.1;min.

Chloorverwerking.

Daar de electrolyse bij 7000C.geschiedt,bevindt zich het afgezogen anode-gas op hoge temperatuur.~et word~ daarom eerst gekoeld in een koeltoren;tegel~kertijd wordt hierbij het aanwezige HCl geabsorbeerd. Als koelende vloeistof wordt gebruikt een verdunde HC1-oplossing,dtl dus op deze wijze wordt geconcentreerd tot 8,51o.Deze oplossing stroomt vervolgens door een warmtewisselaar,waarin hij gekoeld wordt tot 20°c,

tievloeistof te dienen.

Zou men geen recirculatie toepassen bij de koeltoeen,dan zou men slechts een 31o-ige oplossing verkrijgen, waarvoor dan een recirculatie bij de

assllpl absorptietoren nodig zou zijn.Deze zou dan echter weer groter moeten wórden,dan nu het geval is.De door ons toegepaste wenwJijze leek ons voor-deliger.

Het C12-houdend gas gaat daarna naar de brander, waar het met een 510 over-maat H2-gas verbrand wordt tot H01.DE brander moet voorzien zijn Van () een veiligheidsmechanisme,dat direct in geval van ontploffingen e.d.

o

de gassentoevoer afsluit.Het hete reactiemengsel stroomt dan eerst door een luchtkoeler en vervolgens door een ca~cadekoeler,waarin het ge -bracht wordt op een temperatuur van ca .500_{C .He--t wordt dan onderin een}

absorptietoeen gevoerd.Bovenin deze toren stroomt een 8,51o-ige HC1-opl. die op deze wijze gebracht wordt op 20f0.De toren wordt gekoeld via een buizenstelsel,waar doorheen water stroomt.De 2010 HCl gaat naar een verzamelbak, van waaruit hij verder door de magnesiumfabriek betrokken kan worden.

Gegevens van het proces:

(de materiaalstroom is gegeven in kg/minuut.) Koel toren:

Uit te wisselen warmte: 171 500 Kcal/uur

Instromend gas bij 60000: 15,6 m3 • Uitstromend gas-t 500_{C.-2,3m3 •}

01

r

-3,47

HC -2,12 kg-22,6;l&

"-26,810

C12-3,47 kg-56,3fo 002-0 ,73

"- 7,710

_0°2-0_,73 "-19,1:10

H2O-1,49 "-38,110 _{H2O-O,19 tI-lo,51o} luchtHé,31 ,,~

4,810

lucht-0,31 "-10,810

totaal 8,12 kg. _{totaal 4,70 kg.}

Stijgsnelheid in de toren gemiddeld: 0,4 m/sec.

INvoer: 2l,3k~ water

+

53,3 kg

8,510

Hel (=4,5 kg HC1)-temp.:200_C.

o

o

22 buizen-lengte 210 cm-diameter 1,25 cm. 78 kg

8,510

HOl gekoeld van 6000.tot 20°0.

benodigd 114 kg koelwater van 1500 begintemp.;ei~dtemp. 400_0.

Brander:

invoer: 4,70kg gas uit koeltoren

+

_{109 gram H2-gas( 1,3 m3 bij 15°0.)} a~voer: HOl-3,57 kg-70

,4fo

0°2-0 ,73 "-11,9fo N2 -0.24 "-

6,2fo

H20-0,27 "-10,610 H2 -0,.002 "- 0,910 totaal 4,81 kg. temperatuur 800°0. Absorptietoren:

uit te wisselen warmte: 33.000 Kcal/uur. 20 rekken

à

9 buizen

invoer: 4,81 kg gas uit cascade-koeler-temp. 5000.-3,7

m3.

+

24,7 kg 8,5

10

HOl (=2,1 kg H01)-temperatuur 50°0. afvoer:

0°2-0,73

kg N -0,24 11

H~

-0,002" H20-O,02 g totaal 0,99 kg. temp. 25°0.- 0,7 m3 •

+

28,5 kg g~~ 20 10 HOl (= 5,7 kg H01)- temp. 50°0. benodigd koelwater: 37 kg - begintemp.15°0.- eindtemp.3000 •

Voor de gegevens van de luchtkoeler en cascadekoeler~: Zie hiervoor de exacte berekeningen.

Bij de bovenstaande' berekeningen ia geen rekening gehouden met eventuele verliezen.Deze zouden echter niet groter hoeven te zijn dan 10f0.Oompenserin hiervan kan geschieden door aanvoer van extra 01 2 of HOl.

o

0

H

° °

F D S TUK 111

===========

=-=::

Berekening van de cascade koel.er, (J .À. Butter )

Een cascade koeler bestaat uit een aantal horizontale buizen, boven elkaar geplaatst en in serie geschakeld. Over deze buizen stroomt water naar beneden, zodanig dat de van· een buis afkomende waterfilm, valt op

de daaronder volgende buis.

De koeler wordt gebruikt voor de afkoeling van het zoutzuur bevattende gasmengsel, afkomstig uit de chloorbrander, nadat dit eerst in een luchtkoe~er tot

150°0

is gekoeld~

In de cascadie'koeler wordt het gas van.

150°0

=

302°F

gekoeld tot

50°0

=

122°F.

(resp. Tt en _{T2 )}

Aangenomen wordt dat de intree temperatuur Van het koelwater

15°0

=

590F

en d,uittree temperatuur

4000

=

104°F

_{bedraagt. ( resp. t l en t}

_{2 )}

Het gasmengsel heeft de volgende samenstelling:

Hal

97,8

mol/inin

=

3,5T

kg/min

₌

471,0

lbjhr-

70,0

mól.~' 74,~ gew.~

0

0:02 16,.6

_"

=

0,73

_"

N2

B,6

It

₌

_0,24

te H

_{20 15',0}

_"

=

0,27

11· H

₂

1,B

It:

₌

_0,004

'"

139~eJ

_"

=

4.81

,t

=

96,3

te

= 31,7

tt

=

35,7

It

=

0~5 11

=

635,2

te

11,9

6,1

10,7

1.3

100,0

11· n ,tl: '

"

"

15,2

5,0

. 5,6

100,0

Vanwege het sterk c~rrosieve karakter van dit gasmengsel, kan geen metaal voor dt.e koelerbuizen worden genomen. Gekozen materiaal is Karbate, dat tegen alle concentraties zoutzuur bestendig is.

11

11

"

te

Bij de berekening van defascadle koeler, kan niet zonder meer het logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil Atlog gebruikt worden, Daar geen meaging van het koelwater in de lengte richting van de buizen plaa.ts vindt, moet een correctie worden aangebracht.

R .A.oB.owman, A~O. M·ue-ller en ~'.oM ~ Nagle (20) hebben een formule ontwikkeld ter bepaling van een cODr-ectlefactor Ft, waarmee het A t log moet worden

vermenigvuldigd om het ware gemiddelde temp. verschil te vinden. Deze formule luidt:

Hierin 1s; = --,...;;;;1-=_ = 1 - K K =

Tl -

T'2 Tl':' tl R= r I::

o

Deze formule geldt voor koelers bestaande uifJ twee buizen. Een geringe fout wotcit gemaakt bij toepassing op koelers met meerdere buizen.

o

In fig. 20 7a pag 728 van Kern (19) kan: men ~'t aflezen als functie van

R en S·.

In ons geval is R· I:: 30 2 - 122

104 - 59 We vinden dan voor Ft 0,96

Atl

ag

= (302-104) - (122-59~ ln (302-104) ~122-59) . =

s

= 10

4 -

59 302 - 59 = 0,185

Ware gemiddelde temp~ verschil I:: 0,96 x 118 = l13,5°F. I:: A~

Warmte balans : Aggestane warmte HOl 471 x 0,191 x 180 = 16200 Btu;hr 002 96,3 x 0,220 x 150= 3820

"

N 2 31,7 x 0,251 x 180= 1430 ;" H20

35,C1

x 0,450 x 180= 2900

_"

H 2 0,5 x 3,480 x 180= 310

"

Totaal Q

0=

24660

_"

De soortelijke warmten Van d~iverse gassen bij constante druk zijn genomen uit fig. 3 pag. 805 Kern (19·) drUk 1 atm. temp 212°F zijnde de gem. temp.

van het gas. _I

De gemiddelde s.w. van het gasmengse~ bij 2120F = 22+ 1.l::60 = 0, 216J:'bO'F Btu i I

De benodigde hoeveelheid koelwaner = ~2=.:::4~6:.:.6;:;.,0~_

1,0 x

45,

We berekenen" nu de gasfi 1m coefficient uit

Nu = 0,027 (Re)0,8 (pr·)0,33

~)0,14

welke formule geldt voor turbulentie. Re

>

2100 Uit deze formule kunnen we afleiden:

==

550

lb/hr

0,027 (Re)0,8

=

hjD (ée)-0,33

~)-0,14

=

. k k" /<.y"

o

14

Voor gassen mag ~ ) . = 1.0 gesteld worden.

De inwendige diameter van de buis moet zodanig gekozen worden,dat de gassnelhéid in d buis voldoende groot wordt om in het" turbulente gebied

'0

te komen. Nu is hetb doorstromende gasvolume per tijdseenbeid bij de

gemiddelde gastemp. van 100°0 : 139,8 x 22,4 x

212

= ca. 4300 l/min. .'

o

273

Kiezen we een gassnelheid van ca. 35 miseo. dan vinden we voor de inwen-dige diameter ca. 5 cm.

Karbate buizen Di=2 in. Do = 2,75 in. Buislengte 8 ft. Oppervlak doorsnede buis =

i

1t (2/12)2

=

0,0218 rt 2 Gasstroom

=

635,2/0/218

=

29100 lb/ft.hr. = G

Re

=

Di .G~I

We moeten de gemiddelde viscositeit van het gasmengsel weten bij 2120

F

De individuele viscositeiten zijn genomen uit Kern fig. 15 pag 825 HOl

;«

= 0,0171 cp· = 6,0413 1b/ft .hr· bij 212°F

002 )<

=

0,0175

n

=

0,0423

N₂

/<

=

0,0208"

=

0,050

4

H20 ~ = 0,0125" = 0,0302

H2 ~

=

0,01°3" = 0,0249 Voor de gemiddelde viscositeit

"

tt

"

ti vinden Re = DiG

=

2/12 x .. 29100

=

117500

~g

0,0413

"

"

.-we; dan 0,°413 lb/ft.hr =;I'g

o

o

hi~ eC ,l(g -0,53 . .J( -0,14 jH

=

T" (

k . ) (~) • ;Daar g g /

w

1,,6 volgt: h i = ' JH

~.

D;

(c~g)0,33

k · l. g

We moeten nu de gemiddelde warmte geleidingscoeff. kg van het gasmengsel bij 2120F berekenen •

.In tabel 5 pag .801 van Kern vinden we: k

=

0.6133 Btu/hr.ft2 .(oF/ft) k

=

0,0180 "

k

=

0,0137 n

H2 k

=

0,.129 " " " Voor HOl konden we in de litteratuur geen waarden van k werd als volgt berekend: Uit de formule

t

:gas

j .

, luch 320F

lLe'" = 0,635 x 0,0140 = 0,,0089 Btu/hr.ft2 .(fC/.,-t)

-~ ~2oF .

Vervolgens kunnen we met de formule

geleidingscoeff.bij 2120F berekenen. kt.

=

""'t. CVt k32: /'32· cv32 vinden. Deze k

=

0,635 vOlgt; de warmte k

Cl = 0,0089 x Ot0171 x 0,1'26

=

0,0118 Btu/hr.ft2 .(oF/ft)

-E 212 0,012ff x 0,135

Uit deze gegevens kunnen we nu met behulp van de samenstelling van het gasmengsel de gemiddelde warmtegeleidingscoeff. kg berekenen:

kg

=

0,0126 Btu/hr.:rt2

.C

oF/ft) bij 2120F.

(c • .,k'g)0,3} = (0&216 x

°6041:3)

0,33 =

°

893

kg 0,012 '

0.0126

2/12

=

Berekening van de wa.terfilm warmteoverdrachtscoeff. ho

McAdams, W.H.Drew en G.S.Bays,jr (23) geven in hun artikel een formule h --

65

(_G')0,33

o Do waarmede de warmte'overdrachtscoeff .. van de waterfilm bij een cascadekoeler berekend kan worden.

Bij de bepaling van deze formule is aangenomen: lee

Er

vindt geen verdamping van water plaats.

0

o

waarin G' =--L

2~

w

=

d'e hoeveelheid koelwater in lb/hz: L

=

de lengte van iedere pijp in ft

~

=

de viscositeit van het water bij de gemiddelde watertemperatuur.

w

550

G' = 2L

=

2-X 8 = 34,4 lb/hr'.ft

Gemiddelde water temperatuur tg

=

8l,5°F D' 0 = _{2,,75 in.}

=

0,:229 ft

Re

-,

l!Q!:.

_~ =

4

x _{2,17 :} 3~4 = 63,3' Dus laminaire stroming.

65

(g,; )

0,3'3 0,33

ho

=

=

(2L!aL!

_0,229

~

x 65 = 345 Btu/hr.ft2 •

De warmte geleidingscoeff. van Karbate

=

75 Btu/h~.tt2.(0~/ft) De wanddikte van de buis

=

(2,75 - 2,00)/2 in. = 0,031 ft.

_ 75' 2

hw - 0,031

=

2400 Btu/hr.tt

.(OFy

Tenslotte wordt de warmte overdraohtsooeff. van de annkorsting hd = 100 Btu/hr.ft2 •oF gesteld.

Berekening totale warmtedoorgangs ooeff.' U

1

U.il_o

=

Hierin is Ao = het totale uitwendige oppervlak van alle buizen Ai

=

i'aem inwendig

=

Di A

D" _0, 0

Aw

=

het log. gemiddelde van Ai en Ào

OF

Daar h groot is t.o.v. hi, ho ,en hd kunnen we

Aw

vervangen door Ao w

Dan volgt:

2-,

=-A2.

+.+

..L

+.

..L

+

..L

U 'Ofhi ho hw hd 1

U-

= 2 x 2,75 19,6~'

+.

345

1

+

24

1 00 ,'

+

roo

1 .'

u

=

12

°

Btu , hr.ftz.oF

o

o

Uitwendig\oppervlak per lin. ft = ~ x Aantal benodigde buislengten van 8 ft

~ x 1

=

q72 ft

12

- 18.1 ~

15

- 0,72 x 8

=

~, Vie nemen dus

4

buislengten van ieder- 8 ft, d.i.

2,44

m lang Diamete~ der buizen: inwendig 2 in. d.i. 5,08 cm.

o

o

Nomenclatuur voor ber-ekenibg cascaàekoeler.

ft \larmte ui twisselings oppervlak, ft 2

Ai Inwendig. cylinder opp'ervlak, ft2 Ao Uitwendig cylinder oppervlak, ft2 o Soortelijke warmte, Btu/lb.oF.

Di

Inwemdige diameter Van buis, ft, Do Uitwendige diameter, ft

G Gasstroom, lb/hr.ft2

G' Vloeistofstroom, lb/bre+t2

Warmte overdrachtsooeff. gasfilm, Btu/hr.ft2 •oF

Warmte overdraohtsooeff. vloeistoffilm, Btu/hr.ft2 •oF

hd Warmte overdraohtsooeff. aankorsting. Btu/hr.ft2 •oF

jH Factor voor warmte overdraoht, dimensieloos k Warmte geleidingsooeff., Btu!hr eft2

.Ç

oF!ft)

L Buislengte, ft

Cl \Varmte s:t.room, Btu/hr

Tl Inlaat temperatuur gas, oF T

2 Uitlaat temperatuur gas, oF

Inlaat temperatuur vloeistbf, oF

.

Uitlaat temperatuur vloéistof, oF

Ware gemiddelde temperatuursversohil, oF At

l og Logarithmisoh gemiddelde temperatuursverschil, oF

U Totale warmte doorgangs ooeff., Btu/hr~ft2.oF W' Gasstroom, lb/hr

w Vloeistofstroom, lb/hr

'0

O·

2~ R.M.Hunter Trans. E1ectrochem. Soc." 86 21 (1944) 3. S ~D .Kirkpa.tricK Chem. ~et. Eng.

1!§..

76 (1941)

4.

D

J.i

.Ki1leffer Chem. Eng. News

_{I I}

_{1189 (1941)}

5.,

W.J.Muz:'Phy Chem. Ind.

1t2.

618 (1941)

6. L ~c .Stewart Ind. Eng. Chem. 26 361 (1934)

7.

W.H

J.)ow Chem.Eng. News 21 846 (1943)

8' • .Anom. Chem. Met. Eng.

,g

_{Mei 133 (1945)}

8.a Anom. Chem. Met. Eng. _~ Mei 142 (1945)

9. 10. :l1. 12. 13 .. 14. 15. :1:6. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.

J.M .Avery R~F.Evans Chem. Met. ~ng.

s.g

Apr. 94 (1945)

Anom. Chem. v:~t. Eng.

_.5à

Aug.132 (1947)

Anom. Chem. Eng.

_.51h

Sept104 (1947)

E .S·chrier Chem. Eng.

_.2.2.

Apr.148 (1952)

Bios Misc. Report No, 5

Bi.os Fina1 Report No 13318, -i tem Np 21

Cios Report File No XXXII - 52' - i tem No 21 E.V,. pannell Magnesium. 2nd ed. 1948:

C.L. Mantell. Industria.l Electrochemistry. Mc-Graw Hlkll 1950 C.J ~p. ;Ball

.D.Q. Kern.

Light MetaJ,s. Vol. I pag 79 ·lt.938

Process Hea.t Transfer. Mc-Graw HilI ~950 R .E:.Kirk D.F" .Othmer

l

637-668, .§. 554- 592

J.H.Perry Chemica1 Engeneers Handbook R .A .Bowman, A.C .Muel~er en W.M .Nagle

McAdams t Vi.H .Drew en G.S .Bays Jr ti

T·rans. ASME,.§.g 291 (1940) Trans. ASME'.

§.g

627 (1940)

. / / , ~ / ~ ~ ~r~~·~~/~--~/~/~/·~~~~~~~~~--~----~~~Y~;/77,~~~/~~->~~

I

K~N~AL r---··--- - -

-ELECTROL YSf G"fBOU W

n

_yl

.'.

MACNESIUM UIT ZEEWATER

SCHAAL 1: 100

'

..

o • CHLOOR VERWERKING o o . SCHAAL ! -50 " ,

.

'. -~ .

~

~~~~

""'1'~R:I~

__

~_~

..

eR~=--C''''~D~KD.u:R _ U H

..

o

I I I I1 ~---:---~, 1 j

1:;.

G ~ F <: I LJ M " üiT, ZEE.\X,I'\TER. ~

•