Il&.~;...;.
i/l' ,'/,' / 3Ii.
~
1~
IJ
laboratorium voor Chemische TechnologieVerslag behorende bij het processchema
onderwerp:
Th.er.mi.$..che ... o.n.tl.eding, v.an .. C.al.ci.umni.traa t.
Verwerking. .. en ... r.e.cir.cu1.a.ti.e ... der. ... pro.duc tga s se n •
adres: Vigno1astraat 200 Rotterdam - 17
datum: maart 1968
..
KOElER-CONDENSER o o o
..
1 [ 1 I , CONDENS ... T .J __ G ... s iN 150 pjjPEN ~ 20/26 1 B KW SCH ... L 1: 50 CONDENSA'" To
1 204lI I OOORSNEOE B-B ALLE ... TEN IN 101101 ' - - - -- - -- -- - - -- --\
000
/
000000
000000
00000000
\
OOOO-~0000
-
t
-00000000
~0000000
!,000000
/
/
OOfi~r\ KLOKJES CONOENSAAT SCH ... L 1: 1 0 BOVEN ... NZicHT IoIIDDENSECTiESCHAAL 1'2 60· SPROEiTOREN T---~~W ,
I
1I
~
I
~
1 _ _ -- - ---"'Lp> VERDUND S"'LPETERZWR ~I -I L SCH ... L l' 20 \•
,I' ',I ,I .,' , \li\,' fo-22 :. -- 41 I--- ___ __ -"2 II~
. ---/
.
-
-1
- -,----,
VOLLE KEGELSPROEIER SCH ... L 2,1 THERMISCHE ONTLEDING VAN CAle I UMNITRAAT. K, G,SCHUjj F. MAART 1968-
--1-
-1-
-
-_-T--
-
I ~-
I : !' ( ~ " plI {( liL JI~, f' " M I) 1 2f " I--' (( ll~ -II~I~ ,:
*
51
I" h I "0 ~ 1'12 1560 , I '1 : 2000-
-
--, -~ -I-
-
-~-î ~ VEROUND S"'LPETER~ ~ 1 "'LLE ... TEN IN ....CYCLOON HOOGSPANNING WARMTE-STOFAFSCHEIDER W~AR
nn
c.l~1 (~O
,
t '
"--s t b koeLw.lIter ulciumnitru t-oplossing - - f---, f--- - - - -- . rookg_en n;Yr .b5orptie-kolom FLUïDBEORE"'CTOR REGENÉR"'TOR ROOTS' BLOWER KOELER-CONDENSOR nur com-pressor calciumnitrut-"""-'--"---'1,...--...,....
--:-...
~~\. oplossing : ::
:
I,j • ~ - - 1 - - - ,CYCLOON HOOGSPANNING WARMTE-STOF ... FSCHEIDER WISSEL ... R
~
m-
Ig
l
(nsO
""-'
::
,.L
I'---": : stoom koe w. ter
cao-aftap
)1.
//
nur compressor ~ f--- - - -_rookgassen~
Ta~~~~6 CALCIUMN ITRAAT kg.schuijf. ( F LuiDBEgREACTOR REGENERATOR ~-if$~---,---~-lucht aardgas~
[i]!Cm' ,,~ ~1::1W
ROOTS' SPROEI-BLOWER TOREN absorpt .. -kolom '---k-a.>--:l-w-ater W"'RMTE -WISSEL ... R murt '68 L -______________________________ - L _ _ ~~~_________________________________'---P HOC E ~ S C HEM A •
----_
..._
-Onderwerp Thermische ontleding Van Calciumni traat.
Verwerking en recirculatie der productgassen.
K .G.Schuijf
Vignola5trant 200
Rotterdam-
l7
l~laart 1968.
-1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1-- -1----
-I
.
I . 11. III. IV.V
.
VI. VII. I N HOU D ~ 0 P G A V E ~amenvatting Inleiding Uitvoering proceSFysische en chemiqche aspecten Capaciteit van de fabriek
A. Grootte van de gt'ondstof- en productstromen bij aanname van
evenwicht
B. Grootte van de grondstof- en productstromen bij bepaalde
verblijf tijd
A. Verwijdering van de waterdamp door indirect cantact{koeler/condenser) pag. 3 4
5
6
10 10 2123
B. Verwijdering van de waterdamp door 26direct contact(~pro~toren)
VIII. Berekeningen der te gebruiken appara tuur 29
IX
.
A. Recirculatie-compressor
B. Hoeveelheid af te voeren warmte via stoomketel C. Indirect contact D. Direct contact Litteratuurlijst 29
31
31
37 45-2-
-3-SAMENVATTING
, Lt
Sedert enkele jaren ia aan de T.H. te Delft een onderzoek begonnen om te komen tot een omzetting van
calcium-nitraat, dat als betrekkelijk weinig waardevol product in de kunstmestindustrie verkreg~n wordt, door thermische ontleding in salpeterzuur. ,
Hierdoor zou dus een &9sloten
N
-
kri~gloop v~rkregenworden, daar het ontstane salpeterzuur weer voor ont-sluiting gebruikt kan worden. Bij deze ontleding ontstaan
NO, 02
en waterdamp.In dit processchema zijn de mogelijkheden onderzocht ter v8rwijdering van de waterdamp, gecombineerd met
recirculatie van productgas. Het laatste om een ~
geconcentreerd mogelijk gasmengsel, wat nitreuze gas~en
betreft, te verkrijgen.
Hiertoe staan twee mogelijkheden open, te weten : Indirect contast(koeler/condenser)
en .
Direct contact(~proeitoren)
Daar weinig gegevens bekend zijn voor de berekening
van de koeler/condenser( aanwezigheid :van
niet-condenseerbaar gas, absorptie VHn de nitreuze gas "'l en ,
dus vorming van verdund salpeterzuur) levert het ont-werpen hiervan grote moeilijkheden op, welke slechte;
opgelost kunnen worden door metingen aan een proefconden~er.
Getracht is een koeler/condenser te berekenen, waarbij via "schotels" tus:r;en de verschillende secties, vloeistof
afgetapt wordt.
Tevens is met de ter beschikking staande gegevens onder bepaalde äannamen eetracht een sproei toren te ontwerpen,
wa~rbij condensatie bereikt wordt door de ontstane
verdunde oplossing van salpe terzuur voor een groot deel weer te ver:-sproeien. De warmte, welke het inkomende gasmengsel afstaat , wordt hierbij dus opgenomen door de versproeide oplosc;ing.
Een voordeel van de laatste methode is de aanzienlijk goedkopere constructie.
Voor een juiste berekening dienen echter meer gegevens
ter beschikking te k~en.
,
Ir, lnl~iding,
In de kl1nstmestindustrie zijn 3 ontslui ting~m€thoden
van de in
de natuur voorkomende minerale fosfaten, zoals apatiet
Ca
loF2(P04
)6
gebruikelijk en wsl :A. 0:rtslu;k t,y!g met zw~velz1fU!" Ca
loF2(P04)6 '" 7 H2S04 • 2 HF .. 3 Ca{H
2P04)2 .... 7 CaS04
Hierbij ontstaat dus monocalciumfosfaat
naast gips.
B. On tslu;i ting meet fosJorpuur.
Ca
lo
F
2(P04)6
+ 14 H3
P04waarbij dus ~ên gip~ ontstaat. Het ontstane product wordt in de handel gebracht onder de naam dubbelsuperfosfaat.
C. Optsluiting met sa;tpe'terzuur. ~ nitrofos
faten.
Ca
loF2(P04}6
+
20 HN03 ----. 10 CaO~03)2+
6 H3P04
+
2 HFNeutraliseert men de verkregen oplos~ing gedeeltelijk
met
NH
3 ' dan wordt NH4N03 ' CaHP04 en Ca{N03)2 verkregen. Er
ontstaat dan een zeer hygro~copisch product en is door deze eigenschap moeilijk op te slaan. Hetontstana calciurnni traat, dat hygroscopisch is, moet daarom venvijderd worden
. Dit kan
geschieden door het uit te laten kristalliseren. Hierbij ontstaat Ca{N03}2.4aq. als bijproduct, dat als kalksalpeter
5Ca(N03)2.NH4N03.1oaq. op de markt wordt gebracht.
Door gemengde ontsluiting met H~W3 en H
2S04 , re-sp. H3P04
toe te passen , wor,d't Ca in de vorm van CaSO , reSp.
CaHP0
4 of Ca(}-I2P04 )f2 verkregen, waarbiJ dus áe vorming van
calciumnitraat wordt voorkomen.
Daar de waarde van calciurnni traat op de markt vrlj lang is
,
zou het economisch zeer aantrekkelijk zijn, L~dien dit product
in een waardevoller product om te zetten zou zijn. Daarom is
gedacht aan omzetting in salpeterzuur, waardoor
een ~es12ten N-lstiWii.ooP wordt bereikt. Voor de ontsluiting van
· de minerale
fosfaten wordt O.B. salpeterzuur gebruikt, hierbij ont~taat calciumnitraat, dat door thermi5che ontleding, gevolgd door
absorptie der ontstane nitreuze gas~en weer omgezet wordt in salpeterzuur.
Techni~ch wordt than~ salpeterzuur verkregen door oxidatie
van ammoniak. Het voordeel van calciumnitraat aIR uitgangsstof
t .o.v. ammoniak is, dat een gasmengsel
verkregen wordt, dat
rijker is aan ~tikstofoxiden, waardoor een hogere coneen~atie
van het te produceren Ralpeterzuur bereikbaar is.
Bij de NH "Oxidatie wordt ammoniak met lucht over een .
Platwa-katafysator (met 5
à
10f..
Rh) geleid, welkei~
aange-bracht in de vorm van een net. De reactietemperatuur bedraagt 800 à 900
o
e
.
De hoofdreactie isI
I·-
5
-wordt .
Het ontstane ga~mengsel via een af Gasketel (om een deel van de warmte-inhoud wèer nuttig te gebruiken 1 du~ productie van ~toom)
gekoeld. Vervolgens wordt verder gekoeld in een koeler-conden~er.
waarbij een groot deel van het bij de reactie ont~tane water condenseert.Da temperatuur van het gasmengsal bedraagt dan
4p·C. Tevens vindt hier oxida tie voor een deel val1 he t onts:;tanè NO. ~t NO
Z plaats en vorming van verdund salpeterzuur. De rest van het NO wordt geoxideerd in een Oxidatietoren . Tenslotte vindt absorptie van N0
2 in H20 plaat!"! volgens
'N0
2 + H20 ~ 2 HN03 + NO
Er ontstaat dus weer NO, dat in de absorptiekolom weer geoxideerd wordt tot N0
2•
In de absorptiekolom z1.Jn dus twee functies te onderscheiden :
1. $chotels, waarop de absorptie plaats vindt. Tevens dient hier
,·de ontwikkelde absorptie-warmte afgevoerd te worden.
2. De ruimte tussen de scho·tels . Hier vindt oxidatie van het ontstane NO plaats.
De afstand tussen "de ~chotels wordt dus bepaald door de oxidatiesnelheid en de gassnelheid.
De absorptie Vindt plaats onder een druk van 4 à 8 atm'Osfeer.
lIl. U,;i, yVP~'.&. Erpce;s.
Wat de ui tvoering van de thermi~che ontleding van calcium ...
ni traat betre'ft , zijn er voor de uitvoering met een nu!dbed-reactor twes mogelijkheden :
1. Een flu!dbedre~ctor met een flufdbed van CaO-deeltjes,
waarbij de benodigde warmte, daar de ontleding sterk endotherm
i~) via de wand door aardgasbranders wordt toegevo~rd. De
temperatuur in de r~dC tor moet 600 0 C bedragen. lfJe yfandtempera-, tuur moet zo heog mogelijk zijn, doert wordt beperkt door de
hittebestendigheid van het materiaal van de wand. Materialen als Inconel, Incoloy en Nimonic (Cr-Ni-legeringen) zijn
hittebe,~tendig tot 100'0 à 11600 C en hebban een goede
bestendigheid tegen nitreuze gassen bij hoge temperaturen.
Daar het smel ttr.aject van deze legeringen l igt bij 137'0 -1420
°
c
kan men echter de wandtemperatuur niet. hoger kiezen dan 950 0 C in vêrband met te verwachten plaatselijke over-verhi tt,ing.
2. Een fluidbedreactor met een "regenerator") welke op 1100
·
e
gehOuden wordt, waarbij de Cao-deeltjes uit de reactor weervia de flregeneratorU opgewarmd worden, waarna afgifte van
warmte in de reactor pla.ats vindt. De constructie is analoog aan de fluIdbedreactor, welke in de aardolie-industrie
gebruikt wordt. (Ortho- now van Kellogg.) De "regenerator n is zelf een flu!dbed van CaO-deel tjes. De warmte in de
. tt re genera.
tor
H word t toegevoerd door verbranding van aardgas.Als flu!disatiegas kan lucht gebruikt worden, doch door hiervoor recirculatiegas te nemen, treedt g~n verdunning van de ontstane gassen op, waardoor de benodigde ab~orptie-apparatuur kleiner uitval t en een hogere concentratie aan HNO . te bereiken i~ . .
-6
-mogelijk venvijderd te worden, daar het ontstane gasmengsel
na compressie tot 4
à
8 atmo~feer met een temperatuur van 40o
e
in tegenstro-ol'll in de .absorp·tiekolom geleid wordt. Zou het
water niet verwijderd wo~den dan vindt verdunning van het in
de absorptiekolom op de onderste schotels ontstane geconcen ...
treerde HN0
3 plaats.
In dit processchema zijn de mogelijkheden tot verwijdering
van de ontstane waterdamp gecombineerd met recirculatie van
productgas als fluidisatiegss onderzocht. .
De grondstof calciumnitraat wordt als een 70 ~-ige oplosstpg.
via verstuiver~ in de reactor verstoven.
De verwijdering van het water kan geschieden door gebruik te
maken van : ,
1·. Een koalér/condenser {indirect contact)
2. Een sproeitoren (direct contact)
Bij dê laatste methode wordt het on~tane gasmengsel I .r
gekoeld door een recirculerende verdunde HNO - oploseing, .
welke door de optredende condensatie van
wat~r4amp i~
orttstaan.Een voordeel van deze methode is de eenvoudige en niet zo
kostbare apparatuur. Bovendien heeft men minder last van de
optredende corrosie, daar (1) be~taat uit pijpen, terwijl
bij (2) een le~e kolom met sproeiers gebruikt wordt.
In beide gevallen wordt een deel van het uittredende
gas-mengsel gerecirculeerd, het andere deel wordt Tia een 2.
treps-compressor met tussenkoelers gecomprimeerd tot 4 à
8
atmosfeeren in de absorptiekolom geleid. Het in beide gevallen ontstane
verdunde salpeterzuur \"1ordt op een geschikte plaatQ in de
absorptiekolom geleid.
IV. F):s~sshe l,en chesische aspecten.
A. Thermische ontleding van Ca.{N0
3) 2
, J
Reactievergelijking :
----9t~ CaO + 2 NO ...
1
0. 2 2
Een dus sterk endotherme reactie.
4 Hr-+ 88,12 kcal/mol
Calciumnitraat smelt bij
561
° C. De reactietemperatuur moetdus boven de ,61 ° C liggen. Het optredende mechanisme in de
r-Qactor kan men zich als volgt voorstellen; (li t t. ~)
Van de verstoven oplos~ing van calciumnitraat verdampt het
water en zet zich het calciwnnitr~at af rond een CaO-de~ltje
van het fluidbed. Vervolgens treeàt ontleding' op, hetgaen
dus resulteert in een aangegroeid CaO- deeltje.
I . i I . I I ,
1. Het evenwicht 2 NO + 02 ~~=:::;.... . 2 N02 ligt bij 25
oe
geheel rechts.De evanwichtsconstanto p2 K :; N0 2 .t
Po
P NO • 2-
7
-als functie van de temperatuur wordt gegeven door de volgende vorgelijking :
log K
=
21!2
-
1
,
75 log T
+
0,00050T
-
2
.
839
(litt
.
4)
T
De reactiesnelheid wordt gegeven door
dt
Deze reactie \.~e orde} heeft een negatieve temperatuurcoëf'" .
ficient
,
m
.
a
.
w.
bijtoenemende temperatuur daalt de
reactie-snelheid
.
Verhogti.ng van de àruk
heeft een glIDët!geui.tw.erkingop de reactiesnelheid. 2. Het evenwicht 2 NO ~f=;.. N 20 .. 2 'Jo De evanwichtsconstante K
-
-als
functie van de temperatuur wordt gegeven
d~orlog K ::
~
-
9,1 {litt. 4)Voor
T~873
OK (600O
e
1
K :::2
.
lö
b
atm.-1
T.
}93 OK (120 Oe} K ::3,16
.
1ö2 atm-. 1 T~313
OK ( 4.0 Oe) K :2
,
.5
a :tm-• I ,-..
I
! .• ~ ... '... . ~. -8-~ • IDe ab..4;.orptie in water vin<it plaats volgens onderstaande reacties:
2 NO
2
of
of
i
N204 ... HZO(L) - , 2 HNO} (ij) "" NO (5)2 NO .... 02 . . 2 N02
2 N02 ~.=::::::i.. N 204
I
,~
Reacties (4) en (,) zijn overall-reactie'e en worden verkregen.
do.or optelling van(l) en (3) •
resp.
(2) en (3).De
evemnchtscor.tstantevan
reactie(4)
kan
gesplitst worden in het product van twee I-waarden Kl enwaarin
Kl ie als runc~ie van de concentratie van het gevormde HN03-en a.lg functie van de temperatuur gegeven door de volgende
"ergelijking
:
~
:: - 0,11 ' ('11) - 0,00102 1'2+
0,5519. T - 6.5.34(11~t.;)
waarin W:: ge\'fich tspercentage
HNO,
"_
-9-Voor T
=
313 oK (40 ° C ) vi~dt men Kl=
- 0,11( .... ;) + 7,47Reactie (4) of (5) ie::; de snelheidsbepalende r~actie. Reactie (2)
(bimoleculair) is het meBst waarschijnlijk, daar r3actie
(1)
trimole~ulair is.
Reactie
(3)
verloopt snel en vriJwel volledir.Uit proeven van Denbigh (litt. 4) blijkt, dat de
al)e::;or!1tie-snelheid van nitreuze gassen evenredig is met PH 0 en niet "2 4
met PN02 • Volgens Peters verloopt de vorming van HN0
3 in hoofdzaak in de gasfase • Hierbi,~ wor~ t Gedacht aan desorptie watermoleculen uit het vloeistofoopervlak en reactie hiervan
met N 20a - moÜ9culen in het gas. Ï3ij bepaalde ""marden van PHNO en PH 0 zijn beiden groter dan overeenkomt met de
3
2dampspanningen van HN0
3 va:'! een bepaalde concentratie. Eet
gevolg is dat een nevel van salpeterzuurde81tjes gevormd wordt, welke door de vloeistof gen b30rb8ord word t.
Het evenwicht
(7)
stelt zich oneindig snel in. 4. Warmte-effecten. NO + 1 02 • • N0 2 23
N0 2+
H20 :!:; 2 HN03
+
~,W C. Corrosie. A H r=
-
13,5 kcal/mol NO - 15,0 kcal/ molHN
O,
(litt. 6 )Bij het gebruik VGn ENOz zjjn 4 ~oorten VrlD corrosIe te
:;
onderscheiden :
1. Oppervlakte-~antastinL. 2. Putvormige aantastinE.
3. Interkristallijne corrosie in de varr:; van 1a<:;anntnstinp:. 4. Spannings-corrosi8.
ad. 1
Deze is het gevolg van het feit, dat de redoxpotentiaal bij gebruik van Cr-Ni-staal 18/9 , van het zich vormende condensant volgens 3N02 + H20 4 ~ 2 l1?<03 """ NO zodanig i <::, dat er geen beschermende oxyuel,'1ag gevormd wordt.
~dt 2
Hieronder verstaat men cen zoer plaatselijke nnntasting in de vorm van putjes dan WéÜ wa t grotere plekker.. Deze wordt
veroorzaakt door vUilafzettingen.(nlgcn, ijzerroest)
Het optreden hiervan kan verminderd \>'lOrden door vermijding,
va..'1 dode hoeken, periodiek doorspoelen met verdund EN0
-10-chloreren ter verwijdering van algen.
ad.
3
Deze wordt veroorzaakt door de vorming van Cr-carbide op de kristalgrenzen. Deze lasaanta~ting komt voor in een smalle
zone aanwserszijden van de las. Is te voorkomen door b.v. gestabiliseerd Cr-Ni-staal te gebruiken.
ad. 4
Deze ui.t zich in de vorm Van schetU'en en komt voor o? plaatsen wao.r trekspanningen heersen, b.v. pijpenplaten van koelers. Te voorkomen door zodanig te construeren, dat de spanningen zo laag mogelijk zijn en door spanning<;vrij te gloeien bij
1050 Cl C , gevolgd door afschrikken in koud water.
v
.
Capaciteit van de fabriek.Uitgegaan wordt V3n de verwerkinG van. '0.000 ton Ca(N0
3}2 / jaar.
Indien de fabriek 300 è.ar;en/jaar in ~edrijf is ~ is riit verwerking van 100 ton/dag : 1,16 kr/sec Ca(N0
3
)2=
1,
66
kg/s~c Ca{NO,)2.4aq.een
Uitgegaan wordt dus van
1,66
k~/sec Ca(NO,)2.4aq. , watover-eenkomt met een
70
~'~-ge oplossinf .Ca(N0
3)2 smelt bij 43
o
e
in zijn kristalwater.TI. A. Grootte van de grondstqf- en productstromen bij aanname V3n evenwicht. 1. Productg3S. _--::.,~ CaO + 2 NO+l. 02 2
1,16
kg/sec Ca{N03
)2 levert1
t
16
•
56
kr;/
sec CaO :: 0, 40 k É~ / sec CaO1 4
1t16
.
2.30 kg/sec 1\0=
0,42 kg/sec NO=
14,1 mal/sec NO 1 4lllb 0.2.. 32 kL~/sec 0" :: 0,34kt;/sec 02
=
10,6 mOl/sec 021 4 2 L
-
11-Totaal productgas 14,1 mOl/sec NO
1 mol gas (273 ° K, 1 1 mol gas (873 oK, 1 10,6 mOl/sec 02 27,8 mOl/sec H20
52
,
5
mOl/sec atm. ):
22,4 1=
22,4.10 -~3
atm. )=
ffi
.22,4.10-3
m3
=
7l,6.10-3
- 2 m3
6
-3 3,
Volumestroom productgas
52
,
5
.
71
, .
10
m jsec2. Fluidisa~iegas.
De
dia~eter van de reactor bedraagt 2,60 m{Litt. 2)3
,
76
m /gec productgas geeft een snel~eid8vermeerd'Jri:l[ van3
.
7~ brD 4-
3
.
26
~ 0,71 m/sec1
:
1T
(
2,6 } 2 4De
~emiddelde waarde van de flurdisatie~assnolheid wordt1 m/sec gekozen. (litt. 2)
Stel de snelheid v:.m het gas, dat onder i:1 de reactor l:ol'l:t bedraagt x m/sec , dan moet gelden
x + (x +
0
,
71)
=
1
2
Hieruit volgt voor de waarde v~n x : 0,65 m/sec.
Onder in de reactor moet dan
0,65. 1"..(2,6)2 m3/sec
=
3,45 m3/s Gc fluic:.isntier·as in[:eleid4
v/orden.
3
.
Nozzle-gas •Er vindt een goedeversproeiing van de 70~-ige Ca(N0 3)2 -oplossing plaa t,s , als JjV gas
=
500 ~ oplossi:lg (li t,t. 8)Ingevoerd wordt 1,66 Kg/s'ac Ca(N03)2.4ac:.
De dichtheid van deze oplossing bedr3agt 1700 kg/m 3 ~ -_ 1
66
m3
/'sec""v
oplossine A' ' 1700'/J
y nozzle-ga s 500 • ~ 1 66 rn, /3 /:J~ ge=
.1./000,49
m3/sec~v
fluidisatiegas +~
nozzlegas :~V
(3
,
45
~
0,49) m'/sec=
3
,
94
m3
jsecBer~eni~
get s
trçmen •-12
-recirculatiegas-:
2
.
94,
mol/sec=
6
-
3
71, .1055
,
0
mol/sec
De verschillende stromen z,lJn in de vOlgende figuur a.angegewn.
In deze zeer schematische figuur is de hoofdapparatuur in dè vorm van blokje s aangegev·en.
l : reactor 11: re genera tor III:koeler/condensor IV :Jwarmtewisselaar R I I 400 g CaO
pfm6
~~~--~--~~~~ 11Bovendien zijn hierin alleen de voor de berekening van belang
zijnde stromen in opgenomen.
Voor de berekening der stromen, indien er evenwicht
is
,
wordtde druk op 1 atm. gesteld.
Aangan~men wordt : .
l} De evenwichten stellen zich inderdaad in.(voldoendelange verblij ftijd'
2) ~vormd NO wordt volledig ~eoxideerd.
3) Het gas, dat uit de koeler/condensor komt is verzadigd aan
waterdamp, waarvan de partiële spanning gelijk is aan de
bij die temperatuur behorende maximale spanning van de
waterdamp. De invloed Van het gevormde verdunde HN0
3 op de 1l'ffiterdamp9panning wordt dus buiten be~chouwing gelaten.
Uit de vergelijking Ca(N0
-13
-de verhouding van het aantal molen 02 tot het aantul molen NO gelijk aan 1 is.
Brutovergelijking van de !-m0
3 - vormint~
of 2 NO + H20 +
i
02 ) 2 ~N032
Hiervoor geldt dus eveneens mol 02 : mol NO : ~
Deze betrekking geldt dus voor elke gas~troom.
Massa balansen
.
.
~rn
(productgas) 1~mo
u~m
2~
m
3~m
5
~m
7
14 ,1 10,6 27,8+
~ mI=
=
~ rn 3=
~m
+ 4=
~m6
+-
~m8
-mOl/sec I mol/sec mOl/sec~m
2~m
7
NO°2
l-!20 u mOl/sec NO 0,75umol/sec 02 (1,75 u + v) mOl/sec~m
3 55,0 mol [jas/sec Dus 1,75 u + v=
52, 5 t 55 ~ 107,5 -~~ v ::. (107,5 - 1,75 u) rnol/~ec H 20 Samenstelling ~ (600°C) mS (u -14
,
1)
mOl/secNO
(0,75 u - 10,6) mOl/sec 02 (1,75 - 1,75 u - 27,8) mOl/sec H20=
(79,7 - 1,75 u) mOl/sec H20--- -
-
-14-Indien bij 40 oe NO o.l~ N0
2 aam-lezj b is, dnn is de samenstelling (u - 14,1) mal/sec N0 2
~o,
75 u - 10,6) -~
(
u
- l4,1)J mal/sec 02=
(7
9
,7 -
1,75
u
)
mal/sec H 20'"le hebben echter ook n0E: het evem'iicht 2N0
2 ~ ~ N204
( 0 , 25u - 3 , 6) _
moL/sec 02
Stel, dat er x mOl/eec N
204 C8vormd ','-lQrdt, (13n is de juiste
samenstelling van ~ bij 40°C :
li
7
x mal/sec ?'!204 (u - 14,1-
2x)
mOl/secN0 2(0,25
u -3,6)
mal/sec°2
(79,7
- 1,75u) mal/sec H 20(62 - x-o,5u) mal/sec totaal
2 t'.~ O 2 K (-1-0 C) e)
=
'1 ,_,5
ntrn -1 K _ x E2 - x-~U
:- l/' .. , 1 .L.62
-
x-2
,5
0
,5
u
- 2X~20
,
511
:: 1 éltm2
,5
verder Geldt PH
°
=. 0,073 atm (biJ 40 0 c)2
dus
79,7
-
1
,75
~=
0,073
62 -
x
-
0,511
Uit (2) volgt a =. 0,043x • 4),p71
Vergelijking (3) gesubstitueerd in verE. (1)
2
x - 31,2Rx
+
209,05 _ 0Hieruit volgt : Xl :. 21,6
u
l :. 44.,2
en x2 ::
9,7
u 2 :: 44,3De gassamenstellingen zijn dus
~m
~emp. lin in oe mol/sec ~ beo ~ 600 31.5<>
7 408
600
111~m
3NO
N0 2 N204 l~,l-
-44,3
-
--
44,3--
10,
3
9,7 30,2 --
-°2 10,633,2
11,07,5
22,6 9:1m ev) 5~r-~--~---~~ ~m 7 -15-H 20 Ivlol totaal27,
H
52,5
30 ,1107,6
30,1 85,42,3 30,3
2,3.55,1
Stel, dat de samenstelling vnn ~m (gas) als volgt i~ 5 b mOl/sec N0 2 c mOl/sec 02 d mol/sec H 20 Dan is de samenstellino vsn ~m - ~ - ~ b 'P 6 -
"'m.5
'Pm7
(a- 9,7)mol/sec N204 (b-lo,8)mo1/sec N0 2 (c-7, 5)mol/sec 02 (d-2,3)mo1/sec H20-16
-De verhouding der componenten in ~m5 en ~ is uiteraard
m6
dezelfde, dus geldt Hieruit volgt ~ m . . a mOl/sec 51 ,11a moljsGc 0,77a mOl/sec 0,24a mol/sec b :. l , 11 a c
=
0,77 a d =:: 0,24 a N 204 N02 °2 H 20 b : c : d~m6
:. 9,7 : lo, ~ : 7,5 : 2,3 a - 9,7) mOl/qec N 204 (l,lla-lo,S)mol/sec N0 2 (0,77a- 7,5)mol/sec 02 (0,24a- 2,3)moljsec H 20Stel de maSsastroom bij evenvdcht
Y'
(ev.) InY'
bevj_nd t zichffi5 m5
nl. géén NO meer, daur aangenomen was, dat volledige oxidatie
V3ll NO zou optreden.
Samenstelling van ~m5(ev.) p mOl/sec N204 q mOl/sec N02 r mOl/sec NO s mOl/sec H 20 t mOl/sec °2 q + r + s + t) mOl/sec totaal
Stel de snmenst'311:nr van 1 . -111TO
m mo / ~2C L. 3
Het [;91.<Jich tsperc en to.i';e v,m het L~evorrnde
:;::
°
3 'oe draa[:t d<3.n
63
m • 100 ,063m + l\~n
Joor r.et D.b~orptic evemücht 3 N0
2
+
p.20 ~ 2 1-::;03-+
NO geldt : PNQ _~
2 :Joor h~t evenwicht-
o,ll (6300
m -t- 7,47 (53m +18
n) 2 N0 2 + - N 204 p--.-,.
g81dt ~]'{°
2 4 2,5 2 PNO 2 Jus :x: 12..
q..
r..
s..
t -0,11 { 6300 m + 7,47 ( c )3 - (-3:ri+
18
n (p !,
...
0 t r t s t t12
2
t9
+ r + s + t~r-
2,5 ,~
.p + q +9 r + s + t ( 2 ) PH 0 (40°C)-
-
0,073 atm , du~ s .=
0,073 (3) 2 P ... q+r ... !H t95m (indien volledige oxidatie van NO optre.edt)
5
2· NO + 02 ---.) 2 N0 2
r 0,5r r
De samenstelling Van ~m was
5 a mOl/sec N204 1,11a mal/sec N02
0,77a mOl/sec O2
0,24a mOl/sec H20
Er·
moetdan
gelden: t - 0,5r=
0,77a
H-balans ... " .. In }Dm 5 p mOl/sec q lOOI/sec r mOl/sec t mol/sec 0,24a
=
s 30,1.2 • 2s ~ m , ~rn) ( ~ ev ) ( '3 m5+
2n )3m ) 4 mol 02 mol NO ::3
4 N 204 9 2p mOl/sec NO .+
P mOl/sec 02 N0 2'
:=
q mol/sec NO + 0,5q mOl/!";9c O2 NO ~ r mOl/sec NO 02 !5 t mOl/sec 02 (2p+q. r)mol!sec NOdus mol O2 : mol NO :::
3 :
4 ::: (p+o,5q+t) :(2p"q+r)waarui t volgt 2p + q ...
3r
::.
4t Totaal balans • 4 1660 ~ y)+
~ + 400 (Rl m4 ro6 (400 g CaO) (4 )( 5 )
( 6 )1260
~63m
+Ie
n+
(a -9
,
7)
.
(92)
+
{l,lla - 10,8).46 +{o,77a -
7,5).32
+ (0,24a -2,3)
.
18
-~~ 2929 :. 172 a+
63 m ... 13 n(
8
)
OPLüS3IllG Uit (3) en (5) volgt p ~ q ~ r + S + t - s
=
0.24 a=
3,29 a (9) -0,073 0,073 Uit(8)
volgt: 63 m+
18 n=
2929 - 172 a Uit Uit en (10)· in (1) ~esubstitueerd 2 r . (2329)=
q 2929-172a in (2) gesubstitueerd E. ~2129a}-
-
2,5
~2
q (4 ) volgt r := 2t 1,543( 7 )
volgt t :=2E
... 9 + 3r 47,47
q :=-V
1, 32ap' Substitutie van(11)
en(12)
in(13)
t=
2p + ~1.22ap
±3(2t -
1.54a} 4 t=
2,31a ~ p - 0,5'V l,32ap'dus r
=
2t - 1,54a :: 3,083 - 2p-
-
\j
1, 32ap'(13) p + q + r + s + t
=
3,29a(11)
(15), (5) en (14) in (13) ges'_lb.stitueerd 2p+
0,
5V
1,32a-;' - 2,343 ::: 0Stci
\[;p
=
x
, dan ap ::: x 2Lx
2 + 0, 5':) uX - 2 , 34 a=
0 a 2 2x
+
0,29ax - 1,17a :°
xl , 2=
- 0 , 29 a1:.
2, 18 a 2Alleen xl ~ 0,95a heeft betekeniS ~ p
=
0,908q ::' J l ,32ap'
=
1,09ar:: 3,08a - 2p -'Vl ,32ap ~ 0,19a
S::: 0,24a
t
=
2,31a - p -0,5
1
1, 32ap'=
0,86a(lo)
(11) (12)
(13 )
-,f. 2 62~ m
7,47
r.L~.2,9al-
-
ofq3
2929-172a
2
1,59
=
69>
m+
7,47 ~.19a,(3.~9a)-
-ü,09aJ
2929
-172a
Hi erui t volgt5,88
622
m -2~29-172a -Vergelijking{ 6.}
60,2
-
-
0,48
a+
m+
2 n Vergelijking ( q ) !2929
..
172a
::
63 m
...
IR n,.
&23 m=
.5,88
6~...
f8n
_ _ ~) m:: 60.2 - 0.48a7,1
p=
0,9
a=
10,6
q:-
1,09
a ::12,8
r:0,19
a ::2,2
S::0,24
a=
2,8
t :0,86 a :.10,1
Sacn,ens't(ellinJf; der stromen.
~o. ~m 1 2 IT~p. in ~c
600
600
NO ~ol/sec 14,1443 3
ltS/sec422
13
°
N02
P'lol/sec ~/s~c-
..
-
-N20~
!mol/sec
-
..
~/sec-
-°2
mol/sec10,6 33,2
g/sec339 1061
H 20 mOl/sec g/sec27,
500
8
30,1
.542
mo}
mOl/sec..
..
'f,/sac .-
-Mol totaal52,5 107,6
Tot.in ~/sec 12612933
---~~ n=
3
,0
5
m in (S) a .: m : n=
l1J.7?7,b9
23
,5
1
,
11
a=
13
,1
0
,77
a -8
,5
3 4'e
vl
.5 b150
40
40
~o-
-
~62
-
--
-
-
-44.3
..
12,8 13,1 2,3
2040
-
589602 106
-
-
10,6
11,Q
2,1-
-
975 085 93
11,0
-
10,1
8
,5
1,0352
-
323 272
32
30,1 23,5
2,8 2
,
3
0,5.542
423
50
50 9
-
7 7
-
-
-485
-
-
-
-85
,4
31,2 38, .5 36,2
5,9
2934968
2003
Poo9 (540 -19-7 tf40
boo-
30,2...
905
~962-
-
-9,7
-892
-7,5
22~ 6. 24072
2,' 2,3
41
41
-
--
-30,355,1
1669 jlbb9-
20-Ter controle
1) Overall balans 1660 glssc (IN)
=
(340 + 908+
40o)gJs ac• 1648 g/sec (UIT) 2) Balans OVer de reactor
(1660
+
1669) glsee3329 g/sec
3)
Balans over koeler/condenser--
3333 (2933 gisse ... 400) g/sec2934 glsec
=
(2003+
908) gJsee : 2911 gJseeDe verRchillen worden veroorzaakt, doordat de gevonden waarden afkomstig zijn door de oplossing van een systeem met een vrij groot aantal onbekenden (8) en door afrondingen. Alle ~vonden waarden vertonen echter géén grotere afwijkingen dan 1~ , dus
wel toelaatbaar.
Het gewichtspercentage van het gevormde salpeterzuur bedraagt
• 1'00
Dezelfde vergelijkingen en ui tkom"'ten zijn geldig, indL:m een
~proeitoren gebruikt wordt. In dat geval is even'~8ht veronder
-steld tussen het uit de sproeitoren komende gas(40
Cl
en de . gevormde HN03
-
oplossing, welke in de sproeitoren versproeidwordt. Deze oplossing heeft bijointrede in de sproeitoren
eveneens een temp3ratuur van 40 C.
Alg uitkomst van de sterkte van het gevormde salpeterzuur wordt dus een zeer hoge waarde gevonden! Productie van 50C~ge HN0
3
zonder absorptiekoloml! In de practijk vindt men waarden van ca. 2o:~. De gevonden hoge waarde i-=: het gevolg van het feit,
dat aangenomen is, dat het abs-orptie-evemvicht zich inderdaad
instelt, m.a.w. er is een oneindig lange verblijf tijd in de koelerjcondenser, regp. sproeitoren, aangenomen.
Gegevens over verblijf tijden en de concentratie van het gevormde
salpeterzuur op technische schaal zijn echter niet bekend.
Verder is bij bovenstaande Berekeningen steeds zodra er NO bij temperaturen beneden de 150 C aanwezig is of gevormd w~rdt
volledige oxidatie tot N0
2 aangenomen. Dit is evenmin in werkelijk-heid het geval, doch zonder deze aanname zou het systeem nog
ingewikkelder worden. Bovendien treedt de oxidatie over een
temperatuurtraject op en zijn g~ên verblijf tijden in de koelerJ'
conden~er, re~p. sproeitoren bekend. .
Wel is een verband in de litteratuur beschreven tus~en de concentratie van het gevorrnde HN0
3 en de verblijf tijd van het gas in een
koelerJcondenser. Atroshehenko en Yastrebenetsky (litt. 9)
vinden uit hun exoerimenten het volgende verband
C
=
8
,
90
t + 0,4 ,waarin C het gewichtspercentage van het gevormde 1-INO, en t de
,
.r
verblijf tijd is.
Dit verband geldt echter voor de door hen gebruikte apparatuur,
tB weten een condenser opgebouwd uit concentrif1che pijpen,
-21-bui tenpijp. De inwendige, res? uj tv.;endige diameter van rie
binnenpijp bedroeg 13 mrn, resp. 17 mme 'voor de buitenpijp
waren de afmetingen 20 mrr., resp 25 mme
Bij gebrek aan verdere gel:,"€vens zal di t verband tussen concentratie
en verblijf tijd gebruikt worden, ondanks de grote bedenkingen,
die hier tegen
in
gebracht klmnen worden. (Vergrotingvan
laboratoriumschaal op technisc~8 schaal. )
VI. B. Grootte van de grondstof- en procuetstromen bi pi
bepaaId~ verblijf tijd.
Stel de verblijf tijd bedraagt 2 Seconden, dan bedraagt de
sterkte van het gevormde salpeterZll'.lI' :
Vgl. (8) Vgl . (6) C
=
8,90.2+
0,4 : 1° ,2~ ::: 6300 rn 63m+18n=
18,2 (zie blz. :6) 2929 : 172a+
63m + 1~ .:3,7rn -~~~ 2929 - 172a :::346,lm
60
,
2
=
28 + m + 2n = 0,43a+
32,4rn __ ~ •• rn=
1,86 - 0,015aGesubstitueerd in (16) : 346,1(1,~6 - 0,015a)
=
2929 - 172a_-...~ . . 3. .:: 13,70 Dus p
=
0,90a=
12, 33 q-
-
1,09a : 14,93 r ::: 0,19a=
2,60 s .: 0,24a-
-
3,29 t :; 0,86a :; 11,78 m=
1,65 n=
25,91 1,11a :. 15,11 0,77a:
10,55
-22 -Samenstelling der stromen. Jo. 9'm 1 2 3 4
5
ev5
6
7 ?3 T·3mp. in 0" v bOo 600 150 40 40 40 4·0 bOO IrJO mol/sec P-4,1 41\ , 3-
-
2 ~ iS-
-
-
~0,2 r; S.;'JC ~22 1330-
-
7
i-' .,-
-
-
905tllO rr.ol/ ~ec
-
-
4.1., 3-
14,9 115,1 2,9 10,(")-2 J ;' c:ec
-
-
2040-
685 695 133 4~6 -.J 20 4ffio1; sec-
-
-
-
12,3 .1.3 7 4. 0 9,7 -leGo 7~Q g/sec-
-
-
-
~132 ,J '-' 892 -°2 mo)! Sr;c 0-0,6 33,2 11,0-
'1 .L , Q ~0, 6 3,1 7,5 P2, & fY'/scc [339 1061 352-
37S 339 99 240 723 .,r
20 mol/sec 27,') 30,1 30 ,: ?5l
9 3,33
,
3
1,0 2,3 2,3 risee 500 542 542 4,6 59 59 '1~ 41 41 , .... "~TO 1 '1
,7
L. 3rrJO I sec-
-
-
-
-
-
-
-: j.sec-
-
-
107-
-
-
-
-i·~O 1. to t:Lll 52,5 1 . 0 '7 J , U " ./ - , '+ 1 27,0 4:~., 9 42,7 11,
0 30, 3 55,1 ~ r;l tot J.n gjs,,;( 12L~ 293~ 29311 573 2332 r3)3 bl.! 16b9 lb69 T-3r eon~r81_) : 1) Overall b~l~ns 2) 38,1;,ms ove?: èo reac tor : (1660+
lf6?)!,,/s'-2c=
(2933 + /100) 1~/sec 3 32 9i/
sec .:: 33 33 [! I c; ec3) 3a18~s over de kocler/con~enser
-
23-VII. A. VGI"1.ii,idering van de waterdamp door indire.ct contact. te voeren
ln
de koelerVfln 2 sec
II Stoom koelen van 150
°c
-.
100°C :542.0,47.(150-1oo} cal/sec : 12.740ca1jA8c
2) Condensatiewarmte waterdamn
E.r condenseert (30,1 - 3,3) moljc;Bc H 20
26,8.18.540 cal/sec
=
260.496 cal/sec3} Water van 100 C naar 40 C 0 0
.
.
26,8.18.1.(100 - 40} cal/sec-
-4) Niet gecondenseerd H 20.
.
59.o,47.{100 - 40} cal/sec=
5} 2040 g/sec N0 2 2040.0,197. (1.50 - 40) cal/sec ~ 6 )352
glsee 02.
.
352.0,218.(150 - 40) cal/sec=
7) Absorptiewanate : Er wor::it 1 t 7 mOl/sec HN0 3 gevormd 1~!.30 kcal/sec=
8) Oxidatiew3rmte : ~.13,5 kcal/sec=
Totaal : 22 .944 cal/'3~c 1 .664 cal/sec 44.800 cal/s~c 25500 co.l/~ec 7.650 cal/sec390
.
314
caIl~ec 390.314 cal/sec=
390.314.4,19J/~ec
=
1,63.5.106 WBij deze berekening is veronderqteld, dat het gas tot 40 0C
aanwezig is in de vorm van N0
2 en 02 ' gevolgd door abc;orntje
in de gecondenseerde 1f.I8.terdamp, waarbij volledige oy.idat~e van het gevormde NO optreedt.
Voor de berekeninÉ~ van het benodigde W'lrmte - ui twi~C)elend oppervlak van de koeler/condenser, wordt deze in 3 secties vGrdeeld en wel :
°
0I . GaskoelsGctie 150 - Óoo C
II .Conden9aties.:;ct~e 100 - 800
e
IIINakoelsectie 80 - 40°C
De
berekening levert grote moeilijkheden or, door :1) De aanwezigheLi V:ln niet-conda'1fleerb;n.r gas. :)2 ~\'a terdamp
moet dus door het aan het conden3atie-oppervlak opgehoontB gas diffunderen. De aanwezige laag van nitreuze gas"'en en zuurstof vormt dus een extra warmtevwerstand. Door deze
gasl;J.ag if' de partiaaldruk van d:..t r;as bij. de wand groter
dan in het midden van de pijp, omdat door conden~ati8 van de waterdamp de concentratie van het ni8t-conden~eerbaar gas hier groter i q• Eet r;evolg hi ervan i ~, cia t d·~ partiaal-druk van de waterdamp bj.j de pijp""and lar,er is dan in. het
--24
-temperatuur. Eet ver:-:chil.. tus:-en de pi ~awan\;temneratu,lr en de condensatietemneratuur Veln de waterdamp is kieiner g8\'V'or
-den met 0.1<:; gevolg mind:;r conicn:='éltic v'm de w<lterdamCl.
J1 t i~, de reden W33rom een t:;mper3Vurtraject van 1000 - 800
e
over d:; condensatie-sectie i~ gekozan •
. 2) Onbekendheid met Je wanrue v:m de to tale warmte-overdrach ts
-coëfficiënt, mede als gevoLg, Vln 1) . Om öeze redenen \-vordt de berckGnine v::m de k081erjcor.d,mser slechte: een zeer grove.
Voor een juiste berekening z~.j~ meer gegevens nOdiC, welke slcC'1ts v,:rkregen k'mr18D worde!'1 '-..:.::. t metingen 33n oen
proefcondenser.
Af te voeren warmte in sectje I
) 0 0 2 N0 2 van 150 .... 100 C : 50 .4.1800 cal/sec
=
110 3)°
l r 0 ~oe
2 van _JO ~ ~oo :
~8520 cal/sec
-110
Totaal
Af te voeren warmte in secti~ 11 :
1) Condensatiewarmte van r~e i:J'!t:=;rd;.lmp
Aangenoman is, d~t 311es tn dit
gebied condenseert.
2) ~iet [ocon0ensaerd w3ter
C ::-. 1 .4 J. / :r-,,-,• c
) 0 0 , 0
4 N0
2 van 100 -,,~,o
e
~)o. 4-4-200 cal/sec110 20.°520 C,:Ü/ S 8C ~lo Tota3l
-=
12.740 c:üjsec 20 . ~84- cal/sec 3.877 cal/sec 37.001 cal/sec=
155 kW 260.1196 c:J.l/sec 9 .l54 cal/sec 1.5.51 cal/~ec 280. 397 callc;~c - -1175 kl'!-25-Af
te voeren warm~ein
s~ctie 1111) Abs-orptiewarmte
.
.
25.500 cal/sec2) Oxidatiewarmte : 7.650 c::ü/sec
3) Water van 8" 0 0 . . 40 ° C : 2.9648 cal/sec
=
19.376 cal/sec 4) Niet geconden~eerd water : 2.548 cal/!';6c :: 1.096 cal/sec
)-5) N0 8 0 0
2 van 0 _ 40 C 2.8154 cul/sec ::. 16.308 cal/sec
6) 02 van 80° .... 40°C 2.1551 cal/sec
-
-
3.102 cal/secTotaal 73.032 cal/~ec !::
306 kW
Daar in een later stadium de gednchte opgekomen is af te zien van een normale koeler/condenser, te weten een koelerjcondenser, waarbij het niet-condenseerbare gas en de ontstane vloeistof
bij de eind tempera tuur (in di t geval 4-00C) pas van elkaar worden
gescheiden, zal verderop in dit verslag een koeler/condenser berekend worden gebaseerd op het volgende idee:
Het gehele apparaatowordt opgebouwd uit 3 secties :
I. gaskoeler 150 __ 100 C 11. condenser 100 . . 80~C 111. gaskoeler 80 -. 40 C
Deze secties bestaan uit pijpen, waarin het gas stroomt, koel-water wordt om de pijpen geleid. Tussen elke sectie oovindt
zich een "schotel'l , waarop het gevormde condensaat wordt
afge-tapt. Deze tussenstukken zijn 0,5 m hoog, de diameter zal blijken te bedragen ca 2m. De pijpen van iedere sectie steken boven de pijpenplaat uit en zijn overdekt met kegelvormige dakjes(naar analogie van "bubble capsu. ) Hierdoor wordt er een scheiding van dB in de zich hier boven bevind~nde sectie gevormde
vloeistof van het gas bewerkstelligd. He
d
gas wordt onder inhet apparaat met een temperatuur van 150 C geleid. Om met eventueel toch gevormd condensaat rekening te houden, is onder sectie I eveneens een Itschotel" gedacht.
Het voordeel van deze constructie ligt in het feit, dat nu bij een hogere temperatuur de grootste hoeveelheid
vloeistof wordt afgetapt met als gevolg aanzienlijk minder te verwachten absorptie dan bij een normale uitvoering.
VII. B. Verwijdering Vêln waterdamp door dirA8ct contact. 1 11 111
IV
,
V
11 ~m 2 400 g CaO reactor regenerator sproa1. toren warmte1>visselaars-26-5
Hierbij Wordt de waterdamp uit ~ ven~ijderd door deze stroom
ffi3
te koelen met behulp van een sproei toren, ~~arbij gebr~ik wordt gemaakt Van een circulerende HN03-oplo~sing. De ontstane HN0
3
-oplo~Si&g wordt via een \-varmteNissel:l:.lr eerst gekoeld van
80
oe
naar 40 C, vervolgens wordt een deel m.b.v. een centrifugaalpompboven in de sproeitoren geleid. De 3fte voeren warmte(voor het grootste deel conden~atiewarmte en absorptiew:H'mte) wordt opge-nomen goor dè vörsproeide oplossing, welke weer opgewarmd wordt van 40 naar
80
C. Het voordeel van het gebruik van een sproei-toren i~, dat de constructie ve.el eenvoudiger is dan van een koelerjcondenser, da3rdoor aanzienlijk goedkoper, verder minder last van de optredende corrosie en gemakkelijker scho,on te maken. Echter i8 men eenoedzaakt een lage doorvoersnelheid van het gaR te kiezen, daar andere; zeer veel water door het opstijgende gas zal worden meegesleurd. Eet probleem van deze meesle-uring, ' .... elke ook bij lage doorvoer snelheden zal optreden, kan voor een groot deel worden opgevangen door boven de sproeiers een demi ster aan te brengen. Deze bestaat uit metalen vangmatten, welke op een raamwerk bevestigd zijn.Gekozen dient te worden materiaal, dat bestendig is tegen de optredende corrosie.- -
-
-27-•
I. Berekening van de hoeveelheid circulerende HN0.3-stroom,
indien
.
. het evenwicht bereikt zou ."orden.Verder moet gelden :
HNO, en q mOl/sac H20
: (p -
7,7)
mol/sec HNO,(q -23,5) mOl/sec H 20 p : q ~ 7,7 : 23,5
Per sec vrordt
7,7
molmw,
gevonnd. De vrijkomende abRorptie"warmte per sec bedra8.E;t dan
hl.
}O kcal 2Oxidatiewarmte( bij volledige oxidatie) :
1f- .
1',5 kcalEr
condenseert(30.1 -
2,8)
=
27,3
mOl/secH20
Cp
van een 50 'Îo-igerINO,-
oplossing=
0,68
cal/g,°c
(litt.12 )Door ~ op te nemen warmte
ru6
[
(p -
7,7)
•6,
+
(q - 23,5) •18
]
•
0,63
.
(80 -
40) call6e.c( 2 )
De af te voe ren ""arm t,::; bedraagt :
1) Condensatiewarmte H 20 2) Stoom koelen ,) Water koelen (542-50).540 cal/~ec - 266 .000 cal/sec 54-2.0,47 • (150-100) ciS: 12.7 40 call~ec 542.1.(100-40} cis ,
-4) Niet gecondenseerd H
20 : 50.0,47.(lOO-40} els ,::: 5} O2 352.0,218. (150-40) cal/sec
=
6)
N0 2 2040.0,197.(150-40) cal/sec -32.520 cal/sec 1.410 cal/sec 8.520 cal/sec 44.800 cal/sec7 )
Absorptiewarmte 7,7.15.10 3 cal/sec=
115.600 ca+./sec8) Oxida ti ewarrnte 7,7.4,5.10 3ca1!3ec
Totaal ---!+~ 63 p
-+
18 q - 19.889 Uit (1) volgt q=
3,05 p (~=
34.700 cal/sec 516.290 cal/sec C~)147,8
mOl/sec HNO, 450,8 mOl/sec H 20=
=
155,5
474,3 HN0 3-
-H20-
-mOl/sec HN0
3
mol/~ec H 20 9,7965 kg/sec HN0 3 8,5374 kg/sec H 2018,3339
kg/sec {53.4 ·~-i~e opl. } - 9,3114 ke.jsec HN0 3 - 8,1144 kg/sec H 2017,4258
kg/sec11. Berekening van de hoeveelheid circulerende HN0
2
-
stroombij verblijf tijd van het gas van 2 seconden in de sproei~
toren.
Hierbij is aangenomen, da t het eerder gegeve.n verband
C .: 8,90 t
+
0,4 ook zal gelden, indien gebruik gemaaktwordt van een sproeitoren. ûit is een dubieuze aanname,
omdat de om!2;tandigheden geheel anders zijn dan die, waarbij
dit verband gevonden is, doch een zekere indicatie geeft
deze formule wel. Bovendien is hanterine van deze betrek.king
noodzakelijk bij gebrek aan andere gegeven~ . Ook hier zal
experimenteel werk slechts uitkomst kunnen brengen.
De~stofstrornen zijn in dit Leval (t
=
2 5e<: , C= 18,21,)
44,3 mOl/sec N0 2 (2040 gisse)
11,0
mOl/sec °2 ( 352 gJsec)30,1
mol/sec H2
0 (542
g/sse)~m
.
1,7
mOl/secHN0
3
(107
.
g/sec~m
4 p mOl/sec HNO, mOl/sec5
25,9
mOl/secH20
(466 gisse q H2
0
~-
~-
)i1-
•
~m6
{p -
1,7}
mOl/sec HN0 3mb
-
m4 m5
{q-25,9}
mOl/sec H 0 2lP
m7
13,7 mOl/sec N204 (1260 g/see) 15,1 mOl/secN0
2
(69.5
g/see) 10,6 mOl/sec°2
(339
g/sec)3,3
mOl/secH20
(59
g/ssc)Wederom moet gelden p : q
=
1,7
: 25,9 (1 )Per sec wordt
1,7
mol ~N03 gevormd.A.bsorptie-warmte
y.
30 kcal/sec=
25.500 cal/secOxidatie-warmte 1. ~7 13,.5 kc al/sec::. 7.750 cal/sec
) )
-29-Er condenseert. 26,8 moL/sec H20
Cp HN03 - opl.{lS,2 i~) : 0,81 cal/g,
°c
(litt. 12)Door ~ op te nemen warmte :
"'mG
Dp -
1
,7).63
....
(q - 25,9).18] .0,81.(80-40) (2)Af te voeren w-armte :
390.314
cal/sec (Zie b1z.23)(3)
Uit (1) , (2) en
(3)
volgt : p=
37
,7
5
mol/sec HN03
~m 4 q=
573
,
8
mol/sec H2037,7
5
mol/~ec HN03
2
,
3783
kgJsec)573,
8
mol/~ec H20 (10,3284 kc/sec)12 , "'067 I k / te!, sec '.1"'10 Ll~ 3 - op.... 1 (IQ 0 , 2,1) jo
36,05 mOl /sec HN0
3 (2,2712 k~/sec)
547,9
mOl/sec H2
0
(9,8622 kr/sec)VIII.
Berekeningen der te gebruiken npparatuur.A
.
Recirculatiecompressor.De drukval over de reactor bedraagt 0,5 atm. (litt. 2) , dus
de druk van ~ bij invoer vnn het recirculatiegas bedraagt
rIJS
1,5
atm. Bij de berekeningen is aangenomen, dat de druk overal1 atm. bedroeg.
Dit heeft de volgende consequentie voor de gemiddelde
fluidi-satiesnelheid van het gas in de reactor :
1 mol (600°C,
1
,
5
atm.)=
47,7.10-
3 m355
mOl/s=
2,62 m3jsecGas voor verstuiving van de calcitmmitrantop1ossing3:
0,49
m3
/s9CDus de hoeveelheid fluidisatiegas bedraagt : 2,13 m Isec
Er geldt dan, als x de snelheid onderin de r Gactor van het
f1uidisatiegas voorstelt
2,13 (D =: 2,6 m) -~~~ x
=
0,4 m/sec of v f -- 0,4 ... (0,4 ... 0.72
Berekening cOt'l'lpressor-
0,75
m/sec---
-
-30-I De d~~val over de reacto~ bedraagt: 0,5 atm.
Bij 1 atm, : 3,94 m3/sec recirculatiegas ( 3,45 m3/sec
flui-disatiegas + 0,49 m3/sec nozzlegas)
r
=
hili -
0,42"4 kgjm3-;;-94
Een Root's blower kan gebruikt worden voor een maximale caRaciteit
~an 8~m3/sec
en een maximaaldr~~verschil
van0, v bar. (12 tt. ..L 3 t bI z. 54)
Het gasmengsel kan als een 2-atomig gas beschouwd worden
Pe
Je ::: 1,40 ( 1 i t t . 13 t b1 z. 41) p e=
firn
1
T
P=
constant f~ P 105
pO,71
, A 0 42r
l ,40=(O,42J,40 P2-
r
l03 , 57 dP - PpO,71
.
0 ,42 1 103,57. 10,42
0,29
P 2 ::. 15 .... , . 105:'Njm ' 2 ~j
d
;
-
-
103,57
~
l.5.105)0,2:
(10.5)o
,2
}
0,29.0,42 7>,fl
mJ
~
=
-
-
1,669.91,5.103 W :: 153 kW 91,5.10 p as p e - p e -152
q
hydr7
mechJ
vol. -0,B
.0,
9.
0,
7
306
kW1
tot.3
De compressor dient van corrosiebestendig materinal vervaardigd te zijn.
B. Hoeveelheid af te voeren warmte via stoomketol.
Het uit de reactor komende gasmengöel wordt g~oe1d via een gtoomketel{afgasketel} van 600 C naar 150 C.
~m
1,330 kg/sec NO C 233 cal/kg,OC3 1,061 kg/sec °2 P NO ( ' 218 cal/kg,OC 0, .542 kgJ.sec H 20
--
Po
-31-2.500
cal/kg, oe C.
Pstoom.
De af te voeren warmte bedraagt :
1,330
•233
.{600
-
150
·
}
=
13,9.10 4 cal/sec=
582.10>t/1,061
218 .(600 -
l50)=
10,4.10
4 cal/sec : 436.10\r0,542 500 • {boa - 150} ::: 12,2.10 4 ca1/~ec :. 511.10Jw
Totaal af te voeren warmte 1529 kW
c.
Indirect contactzI . Koeler/condenser. (zie ook blz . 25)
Deze wordt opgebouwd ui~
3
sectiesa) Gaskoeler 150 ... 100 C b) Condenser 100 _ 80°C c) Gaskoeler 80 -. 40oC
De totale warmtc-overdrachtscoëfficiönten worde~ vgor de 3 secties eesteld op resp. 30 , 200 , en 30
Wim,
C. (Zie tabel 111-1 , litt. 11)Af te voeren warmte (zie blz. 24 en 25)
a)
155 kW
b)ll75 kW {verondersteld is volledige condensatie van de aanwezige waterdamp)
c) Daar het gecondenseerde water tussen b) en c) wordt
afgevoerd , wordt de tota~l af te voeren warmte in
deze sectie niet gecondenseerd H 20 : 1.096 cal/sec N02 16.308 cal/sec °2 3.102 cal/sec Totaal 2ö~5öb cal/sec 85.920 VI
Het koelwater wordt in sec~ie I en sectie 11 ingevoerd
met een t3mperatuur van 20 C en verlaat deze secties met een temperatuur Van 45°C.
.:
20 , resp. 30
oe.
Sectie I 20e
100°C ---.- 450e
150°C..
32-~ w :: U.A.( .ó.T}lo g. dus A :We nemen pijpen' met een inw., resp. uitw. diameter van
20, resp. 26 mol. De pijpen zijn vervaardigd van Inconel~"
Het inwendige oppervlak bedraagt per m lengte: 0,0628 m •
De totaal benodigde lengte wordt dan :
!!ltim
:
896 m,
~8Voor de lengte van de p1Jpen wordt L:
6
m gekozen. Het aantal benodigde pijpen wordt dan~
=
150Sectie I I
80
0e
-100°C
Als eis ,~rdt gesteld, dat de verblijf tijd van het gas in deze sectie 1 sec bedraagt. Dit in verband met de optredende
condensatie.Er wordt dus een lage doorvoersnelheid gekozen. 44,3 mol/sec N0 2 11,0 mOl/sec 02 30,1 mOl/sec H 20
85
,4
mal/sec totaal85,4 mal/sec: 2,97 m3/sec en wel
1,95
m~J5ec
gasen 1,02 m-/sec H 20 Onder NgaSU wordt verstaan N0
2 en O2• Dit ter onderscheid
van de aanwezige waterdamp. 100°C 1,69 m3/sec gas
0,92
m
3/sec H 20
-33-55,3
mOl/sec gas3,3
mOl/sec H 20=
1 t 60 m 3/ sec~
0,09
m3
/sec 1 mol1,69
m3
/sec totaal~v
@8middeld :2,15
m
3/sec A=
~w
1172.000 : 101m
2u •
(6 T ) log. 200. 57 , 0~
29.10- 3
m3
(eO,oC)Stel de lengte der pijpen is 6 m, v ~ 6 m/gec (dan is de
gas
vorblijftijd 1 sec)
~
v gein. : 2,15
m3
/
se c2.15
m3
=
0,358
m
2 6 mHet aantal pijpen bepaald door de verblijf tijd van 1 sec wordt dan :
) .
Het aantal pijpen bepaald door het benodigde warmte-ui tvlis!'lelend oppervl ak word t dan
.
121.-
::
101 ïTDL "Jf D.64,0
.
358
11 D2 (2 ) (D ~ inw. diameter v.d. pijp} .::.lQL ~ D=
0,085 m "fT"D.6
Gekozen wordt een inw. diameter van 0,090 m.
Het aantal pijpen(nu bepaald door de verblijftijdseis)
wordt dan :
4
.
0
,
358
:
56
'TT. (9 .10-2 ) 2
Du :
96
mmDe pijpen worden eveneens vervaardigd van Ineonel.
Sectie lIJ
~w
A
=
----""""--
=
85920
:
87,4
m
2
Voor deze ~ectie worden weer pijpen van
20.26
rum (In~onel)gekozen. Inwendige oppervlak per Dl lengte : 0,<>628 m • De totaal benodigde lengte wordt
82
.
40,0628
: 1390 m
Het aantal pijpen wordt dan
L -
6
m1f2.2
=
2;2-Tussen de secties(elke sectie 6 m lang) bevinden zich tussen-stukken van
0,'
m lengte J waardoor de pijpen van de hieronderbevindende sectie uitsteken. Over de pijpen worden kegel -vormige "klokjes" geplaatst, waardoor scheiding tus~en damp
en vloeistof optreedt. Op deze "schotels" bevin~t zich een
afvoerpijp voor het gevormde condensaat. Daar met eventueel optredend condensaat in elke sectie rekening moet worden
gehouden, zijn er dus in totaal 4 van deze schotels. De
diameter van het apparaat wordt nu niet bepaald door de
diameter van de pijpen en het aantal hiervan , doch door de klokjes (diameter hiervan en aantal) Als diameter van de
klokjes wordt voor sectie I en 111
78
mm gekozen. Bij "bubb1ecaps" is de kleinst leverbare afmeting nl. 78 mm. (inw. diameter van de pijp dan .5Omm) Voor sectie 11 is de inwendige diameter
van de pijpen
90
mm. De diameter van de klokjes zou dan worden :22.
•
78
mm :: 140" mm50
Uit tabellen\{litt. 14) volgt m :: 7,35 voor 56 pijpen(56 klokjes}
De eteGk wordt dan voor sectie 11 :
t ;; l,4.:JklokjC :: 1,4.140,5 mm ::
196
,
5
mmSectie I
150
klokjest
=
1,4
•Als opstelling van de pijpen wordt een
gelijkzijdige driehoek gekozen.
Dl
::
7,35 •
196,5
mm 2 • 1 D, 10k'2'
K Je 2 y=
1,5
steek D=
:: 1448 mm=
140, 5 mm295
mm mm(voor sectie
!["L'αρχιδιϰαστής nei primi tre secoli della dominazione romana", Anna Calabi, "Aegyptus", XXXII, 2 : [recenzja]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)