Schema voor de bereiding van vloeibaar zwaveldioxyde uit roostgas

..

~~

.

Schema voor de bereiding van vloeibaar zwaTeldloXlde uit roostgas.

vervaardigd in opdracht van de

Koninklijke Zwavelzuur Fabrieken v/h Retjen N.V. te Amsterdam. door N.P .van Vliet en P.W.Pfeit:rer. Juni 1951

1

Voor

cle

.,.oorbe:re

141q .eri PY1'MC4

1e . . .

m1n1male kolom41aae'ter op P'OJl4 .... n

·

ûe. 4&,

Id.." __

dan

1_

1'U •• 4oo~ cle 4up ....

ru.pene.. lawa.

w...

co1l4.l1ae

en

aan

de

waM..

1I1!MM.· ..

n

Benkend

w

rien 4e

'toelaa"bazoec1ampe.lhe4eJl '-13 80

e

en

1

atJa.

clruk (benzeen

en

1aopropylaleohol). "13 40 C

(Ma_en 180 u.

liB,

18oproP11aloohol

100

lUl.

Ifc>

a.w.1

YOor. noraa.le eohctelkolOftlDlen ala voor kolomm811 ••

t

vul-lichamen (Baéb1gr1ngen).

De

bu1t.n1ucb~~emp.ratuur

werd

op 20°C aansenomen

en

4.

warmteoverdracht8coetticient van

de

metalen

kolea-.&nA

naar

de omgeving werd gesChat op 2 J/m

2

secoC (

2 kcal/m2b.

oe,

eell

niet al te

goede

i.olatt

.

).

ItDk!!Uy

1) De leqte van

d

kolom nrd

pstel.

op 7

m.,

cl-

gem.4-•• lde temperatuur op 90°C resp. SOoC

en

de 41ametar

gelijk aan D.

:De

wanrtoafgifte bedraaBt

4aD1

a) bij bedrijf onder 1

at ••

Q -

7

x

T'C

x

D

x

2:x: (90 -

20)

:I;

'.017

x D kJ/aec.

b) 'b1~ lJedrij:t onder v euum

Q

Ja

7

X J"C'X D X

2

x

(50 - 20) • 1,'19 • D

W/ ....

) De

toelu~1tue

4ampeulhe.ett ••

1''' ••

" k _

"olS."

. U •

&"Vew;.:;fY1

1

hn7 ,

•

•

pee.

"'I

achotelatltand 10·

vloe1

·

... oAo.cte '/4"

met

~\\l.J 'hl'l

'tabe1 7

pag.

'98 weH.

1ty

pa

...

op

0,069_

!tnMen

I.opreJflaleohel

K D 18 M •

60

80°C

40°0

82°0

40°0

, iIl • •

_Is

₁₆₀

180

160

100

lv

I/g

'"

420

667

('108)

- - . _ - _ . _ - -

"

I

Jeft ••••

IMpftpy1aloelaol

M

lil

78

M •

6Q

80°0

40°0

82

0

e

40°0

f

,,1.,.

0,8151

_0,8'78

_0."'"

0.1686

f...4apg/L

2.688

0,7180

2,055

_0.'01

tJ

t1/

..

e

1,13

2,25

_1,2'

,.Q

al ...

_0.'.5

0,68'

0,"4

0.991

"'p."n_

0,2706x'.D2

o,"8Bx»2

_O.'9'&cD

2

O,7809XD

1

.'1 •••

k,/ ...

o

T214X'J)2 O,,8Gld2

0,60'.

2

O,2'97d

2

kJ/e.o

287,'xD

'

2

162,2xD2

402,'d

2

169,TdI

J)

>

20.77

_lJ,'*

Jg.

rl

U.U

287.'

162,2

402.5

169.'

1)

>

10,7

cm

8,1

cm

7.'

Cat

1,8

ca

,.aien

4 . . .

rinse

waaH'

van

4. 4i ...

1"

le

het

..

er

W1~t.la.'t1g

ot ,. tol"lllUl.e

.001' de .G~aat'ba"

...

, ...

lh"

•••

el toeppa."

aas

worieD.

J)

Daar

voor

cl.

de.tillatt,

ftJ'l

H ...

'13 •••

.,.ri-Mlle 4!'Uk

de ,"018 • •

1a1ll&1. 41","er gevenden

1.,

1.

d. "ftk.l'.l1Ds 'RB 48 41 . . .

ter . . .

koloaJIMUl

ae"

"t'Ull10b&-u.

aue ..

'foor

4 ....

11lat1.

van be_en

opp.teld..

hft7 pag. 68'

-,...41 . . _4 l'lo041q Ve10c111 •• "

tig.

10

18

pattek

1/;

ui",. ....

".pa

1,;/..1"

Ialh1pUa&tm.

• aapauo-

1a

l)/hz'.aq.:tt

L Y1M18te1:1""0Il

i_/hr,

tqf:t't

r-.)

~

f4u.p

1n

lb/ou.ti.

~

... en

800C •

0;168

lb/ou.f1

rp •

1.'

V.ron4ernel 4- verhou41q

eGa ..

'i

aeU3lc . . .

:

oPPl'oi\lc

cD

2

1

'L{I"

1.'

1

0,"

'11

800 850 900

I lb/al".

,

eq.n 1200

127'

1"0

kg/ ....

1

_1,63

_1,73

_l,S'

..

_•

-hel 4e Mlaat1ng ge11 jk aan 4. -helft

TU . .

1IUl-male belari1ag _, G

kg/

Ge m2

0,815

0.865

kJ/

c

I

322

_'42

41aa • •

r

»

J ."

25'

x 1)2

268

z

])2

ki/sec

1)

₎

_'0.77

₃

0

.77

25'

268

J)

;>

_12,2

_cm

_11,1

_cm

Voor werken

onder

vacu\UD; 180 mm. Hg

p

•

1.5

x

V

180 - ::

0.73

760

<

0,915

'61

28'

x

1)2

~Olll 28'

10,9

cm

101ale reflux;L;/g

~

0,7'

;

Cl/; :: 900

~

..

==

615

lb/hr.aq.t1I

• 0,893

kg/sec

m

2

•

8181 de belasting de hel~t van de maximale belasting

tue 0,446 kg/8ee m2

=

187

kJ/sec m2

• •

,8troom

147.D

2

kJ

Ieee

:&

>

~

=

0,090

JI

=

9,0

cm.

..

I.

SAMENVATTING.

Na een korte beschrijving van de verschillende processen voor de

be-.

k,l

reiding van vloeibaar zwaveldioxyde wordt nader ingegaan op de methoden toe-gepast door Leverkusen en de Koninklijke Zwavelzuur Fabrieken. Voor capaci-teiten minder dan 25 - 30 ton S02/24 hr komt het proces van Leverkusen niet in aanmerking. Het proces toegepast door de K.Z.F. is een afroom proces en is alleen dan economisch verantwoord wanneer het restgas met een gering S02-gehalte op zwavelzuur verwerkt kan worden. Bij dit laatste proces zijn twee punten van byzonder belang.

1) uitwendige koeling door een koelmiddel.

2) effectieve terugwinning van de koude uit het retourgas.

Uit de berekeningen bleek dat diep-koelen met behulp van Freon als koelmiddel en een koelmachine met roterende compressor in eerste instantie niet uitvoerbaar is. De werking van een dergelijke koelinstallatie is toe-gelicht met een schema.

In een vijftal grafieken is het verband tussen de productie aan vloei-baar S02 en de condensatie temperatuur afgeleid. Een maximaal rendement wordt verkregen bij koeling tott5° 0 onder het dauwpunt van het ro08tgaS

bij de heersende totaal druk.

De warmte wisselaar wordt zeer omvangrijk door de "grote hoeveelheden gas en de lege warmte -doorgangs coefficienten. In een uitvoerige berekening 18 de totale warmte-doorgangs coefficlent afgeleid voor een speciaal type warmte uitwisselaar dat door de firma Grasso ontworpen is.

Het verwerkings schema. is weergegeven in de bij behorende tekening. In de discussie is een nieuwe methode voor terugwinnen van de koude aaD-gegeven. Terwijl tevens een verdere koppeling van de 502 bereidiDg aan de zwavelzuur fabricatie met enkele cijfers is toegelicht.

In een bijlage is een schatting gegeven omtrent de capaciteit van de

co-p",e5>0..-lage drukVvan de oude ammoniak koel installatie bij toepaSSing van een ander koelmiddel.

-,

".

...

I .... - - ~~---11. INHOUD.

I Verschillende bereidings methoden.

11 Beschrijving van het prooes toegepast door de ~Z.F.

111 De verstrekte opdracht.

IV De koelinstallatie.

V Berekening van de hoeveelheid oaloriën nodig om het roostgas

af te koelen en het zwaveldioxyde te condenseren.

VI De warmte uitwisselaar.

VII Het verwerkings schema.

VIII Discussie.

Bijlage • Literatuur •

...

,11>,

I.

Verschillende bereidings methoden

(1).

Voor de bereiding van vloeibaar zwaveldioxyde uit ca 7 vol ~ rooat-gas kunnen twee wegen gevolgd worden:

1) Absorptie ven het 802 langs de lUltte weg en na uitdrijven,condenatie door compressie en koeling.

2) directe afscheiding van vloeibaar 802 uit het roostgas door diepkoelen

ot

comprimeren en koelen tot kamertemperatuur.

Het absorptie prooes kan op verschillende manieren uitgevoerd worde • a) Absorptie in water ( 7 leg ~ per ton water) eventueel. met toevoeging

van verschillende stotten met bufferwerking om de oplosbaarheid te ver-groten. Voor het uitdrijven Tan het 802 moeten daR speciale maatregele.

genomen worden.

b) Absorptie met een xylidine-water emulsie. Het ~ kan uitgedreveJil worden door verhitting Tan het absorbens.

c) Absorptie iJl ammoniak tot emmoni~bisultiet. ]»or toevoeging Tan H2S04

wordt het SÛ2 uitgedreven •

De benodigde apparatuur Toor deze absorptie processen omYat:

aanjag •• (blower),absorptie toren,uitdrijtkolom,warmtewisselaars,dreogtoren, gasklok,oompressor met cOJildensor en opslag tanks.

Bet stoo~erb~ik voor het uitdrijven van het 802 uit het water orde

xylidine emulsie is vrij groot (bij absorptie in water ca. 14 ton stoom/toD

·S02). Door plaatselijke omstandigheden is de stoomprijs bij de ~Z.F. zeer hoog; f. 11.- /ton. Het huidige stoomverbruik bedraagt hier ca 100 ton/24 hr

met fluctuaties van 2 - 6.5 ton/hr. Het energie verbruik is zo hoog dat aan-passing vaD electriciteits voorziening aan stoomTerbruik niet mogelijk ge-acht wordt. De absorptie processen a en b zijn dus' econom1sch niet Terant-woord.

Het ammonium bi sulfiet proces is alleen toe te passen in combinatie

met ammoniumsulfaat bereiding;dus ammoniak synthese. (bijT. Staatsmijnen). De methoden Toor directe afsoheiding van vloeibaar 802 uit roostgaa blijken in de praktijk een lage kostprijs te geven. Te meer daar de combi-natie met zwaTelzuur bereiding volgens het contact procédé de beschikking geeft over gereinigd en droog roostgaa (waterdampspaDJling 4 ~10"3 .. Bg). Er kunnen nu twee wegen gevolgd worden:

a) het roostgas uitputten tot een 802 gehalte kleiner daa 0.3 vol ~ en het restgas spuien in de buiteDluchtjdit geeft een verlies Tan 4 ~ berekend op de zwavel in de pyriet.

·

::- " .' 't! ," _{.' ,} , . •. r " , .. -: .' :

.

..

,.1 ' ., .! t' ,

.

"~I J .1 I 7" " .1,

,

11.

I,. 1.1

~

'

.

"

/~ca-

/

I

~

'

f '.:

-

,

..

..

:.~ -2. ~

b) het roostgas afromen tot een S02 ge hal te van ca 5 . 1 ~ en het restgas

terug voeren in de contact rabriek.

Bet uitputten van het roostgas is uit technisch oogpunt moeilijk en daar door kostbaar. Met een diepkoel proces bij atmosferische druk is dit

o

niet te bereiken daar S02 bid - 72,3 C. vast wordt en dan nog een

damp-spanning van 0.02 kgfcm2 heeft. Het restgas bevat dus nog 2 vol ~ S02. Bat

werken onder hoge druk blijkt dan als enige mogelijkheid.

In Leverkusen (2) wordt het roostgas gecomprimeerd tot 5 ato. Na voor

koelen tot 230 _{C wordt verder gekoeld met geproduceerd vloeibaar ~ en koud}

retourgas tot - 220 _{C. Door een 8JIIlIlOniak koelinstallatie wordt de temperatuur}

verder verlaagd tot - 390 _{C. Daar het dauwpunt voor 7 vol}

_%

_{roostgas bij}

- 2sP C ligt,is het grootste gedeelte van het S02 gas reeds gecondenseerd •

Verdere afkoeling tot - 620 C wordt verkregen in warmte uitwisselaars

waar-door koud retourgas van - 700 _{C stroomt. De dampspanning van vloeibaar}

_S02

bedraagt bij - 620 C 0.048 kg/cnf!. ;bij een totaal druk van 6 kg/c~ bevat

het restgas dus nog 0,8 vol

%

S02. Dit betekent nog een vrij belangrijk

verlies.

De temperatuur van - 700 C wordt verkregen door ontspanning van het

restgas in een expansie turbine eerst van 5 ato tot 2.5 ato en daarna tot

atmosrerische druk. De hoeveelheid terug gewonnen compressie arbeid 1s

vrij-wel nihil,de hoordzaak is koude levering.Het energie verbruik bedraagt 680

KWh per ton S02 bij een totaal productie van 24-30 tOll/24 br. Dit is wel de

minimale prOductie voor een proces met toepassing van een expansie turbine,

(}~tK

jf

da~ de;;;;~

doorzet van tenminste 6000 norm. 113 /hr vraagt.

T

ot

1

, / (6000 lI. 0.07 x 2.93 )( 24 = 28 ton/24 hr.,wa;rin 2.93 de dichtheid V8.Jl

S02-gas in kg/~ bij 00 C en 1 atm. is).

Î

Het afromen van het roostgas&nt een SOa gebalte van ca 5 Tol

~

aanleiding geven tot een extra belasting van de convertor en het absorptie systeem van de contact fabriek. Uit de reactie vergelijking

8 502 + 4 02 ~ 8 S03

zou volgen dat het roostgas maximaal 11,7 vol ~ S02 +- 5,85 TOl ~ 02 kali.

bevatten. Voor het verkrijgen van een goed conversie rendement is echt r

• \

iJIJ!

- - r.

\~

I - - - -3.

wordt hierdoor 8,4 vol

%

S02 ~ 10,1 Tol

%

02,de hoeTeelheid aauwezige stik-stof beinvloed alleen de werking der warmte uitwisselaars. Bet minimale S02 gehalte dat door een normale conveBtor nog goed omgezet kam worden is 4 Tol ~

502• Bij een geringer 502 gehalte moet een speciale isolatie aangebracht worden om uitdoven te Toorkomen. Beide grenzen zijn ruim genoeg voor het

af-romen van enkele vol

%

S02 ten behoeve Tan de vloeibaar zwaveldioxyde be-reiding. Bovendien neemt door afromen de verhouding P02/P502 toe hetgeen het conversie rendement ten goede komt.

Door de K.Z.F. wordt thans een afroom proces toegepast. Bet roostgas wordt gekoeld tot - 650 C bij een druk van 0,25-0.4~ ato;ongeveer de helft van het aauw.zig 50₂ wordt hierdoor gecondenseerd. Bet restgas bevat Ca 3.5. -4.0 Tol

%

6Ü2 en wordt teruggevoerd naar de contactfabriek. De gas stroaa door de S02 fabriek is ca

10%

van de totale doorzet Tan de contact fabriek (éé. installatie). Het energie Terbruik bedraagt ca 700 KWh per tOn 502 bij een totale productie Tan 5 ton/24 hr.

'I

11 Beschrijving Tan het proces toegepast door de ~Z.F.

~ Het gereinigde en droge roostgas wordt door een 5.L.~blower aan de

\;' coaactfabriek OJlttrokken. Na koeling in een waterkoeler tot + 170 C wordt

,

.l

,or'"f

~

./'

het gas in een tegenstroom warmte uitwisselaar verder gekoeld tot - 400 _C

/

,/

door het koude tetour-gas. De _{condensatie van het 502 wordt verkregea door} diepkoeling tot - 650 C met verdampende 8JDlI1Oniak bij een druk van 0.l~/ca2 en - 6.,0 C.

Het restgas staat in de warmte wisselaar Zijn koude at aam het verse gas en wordt met een temperatuur Tan - 50 C teruggevoerd Baar de

oontact-fabriek ..

Het Tloeibare S02 wordt in een cycloon-afgescheiden en opgeTangen in

een ~eetal prOductie taakjes,welke om beurten in gebruik zijn. De temperatuur

Tan de vloeistof in een Tolle tank bedraagt ca - 500 C. Na omzetten van 4e o

productie op de tweede tank wordt de eerste opgewarmd tot - 15 C met Ters gas van + 17<' C;de druk loopt dan op tot· 2 sto. Het Tloeibaar 602 kan nu ia

de opslagtanks afgelaten worden na nivellering van het drukverschil. De ammoniak koelinstallatie is geleTerd door de tirma Grasso te 's-Hertogenbosch. De compressie van het NH3-gas geschiedt i. drie trappen met zuiger compressoren. De installatie omvat de volgende onderdelen:

1) verdamper condensor voor condensatie van het 502 gas door kokende ammoniak

..

•

...

-4.

2) twee lage druk compressoren;compressie van 0.138 kg/cm2 tot 0.752 kg/e.m2 • 3) lage druk tussen koeler temperatuur - 410 C (0.752 kg/e.m2 ).

4) midden druk compressor;compress1e Tan 0.752 kg/cri- tot 2.7 kg/cm,2. 5) midden druk tussen koeler tem.peratuur - 12<> C druk (2.7

kgf

cm2 ). 6) hoge druk compressor;compressie Tan 0.752 ~/c~ tot 11,5 't!f!,/cu1-. 7) ammoniak condensor.

Voor een TOlledige beschrijving Tan de installatie alsmede de warmte en

energie balans zij Terwezen .aar het YBrslag van practisch werk.

u

• III

De

Terstrekte opdracht.

Voor Terdere uitbreiding van de productie van Tloeibaar zwsTeld10xyde is oTerwogen of,gezien de slechte thermodynamische eigenSChappen van ammoniak voor dit lage temperatuur' niTeau,een Freon koelinstallatie met roterende compressor belangrijke TOordelen zou bieden. De Toordelen Tan een roterende compressor zijn het zeer lage energie Terbru1k bij grote capaciteit en de lage onderhoudskosten. De aanschafkosten Zijn echter Teel hoger dan TaB zuiger-compressoren met dezelfde capaciteit.Deze laatste hebben het Toordeel zeer courant en gemakkelijk TerTangbaar ·te zijn. Voor de roterende compressoren is men uitslui tend op Amerika aangewezen.

Door de K.Z.F. is nu gevraagd bet Tolgende na te gaan.

1) schatting Tan de minimale capaciteit Tan een Freon koelinstallatie met roterende compressor en Tan de capaciteit als functie van de verdampings temperatuur.

2) bepaling van de meest economische doorzet van roostgas en hieruit berekeniag van de productie. 10-15 ton.

/

4iA .

3) resultaten uitwerken tot een fabrieksschema,als uitgangspunt voor de be-rekeningen dienen:

a. roostgas 6.5.-7.0 - 7.5 vol

%

S02 b • totaal druk 1,2

k8/

cm2

"

_•

IV De koelinstallatie.

Ter orientatie omtrent de werking van Freon koelmachines met roterende compressor werd een bezoek gebracht onder leiding van de Beer Ket jen en de Heer Schenk aan de K.N.Z. te Hengelo Toor de bezichtiging TBn de installatie

voor de bereiding Tan Tloeibaar chloor. Daarna werd een bespreking met de tirma Ten Swaay in den Haag,importeur der Carrier koelmachines, bijgewoond.

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

...

,. ,. 5.

•

Het bleek niet mogelijk een machine te vindenfwelke voor het gestelde doel

geschikt was. Hiervoor zou contact opgenomen"~eteD worden me~ Carrier in

..

Amerika. Dit moet echter wachten tot er een gedetailleerd ontwerp ~

,

. zodat

een offerte gemaakt kan worden.

In een centrifugaal compressor wordt de druk verhoging opgebouwd uit de

kinetische energie van he·t gas. Hiervoor is dus een hoge omtrek snelheid van

de loopwielen en een grote dichtheid van het gas nodig. De verliezen door slip

zijn bij lage druk geringer dan bij hoge druk. Hoge dichtheid bij l:agednk

k81l alleen optreden bij een koelmiddel met een boog moleculair gewicht. De

koelmedia van het Freon type zijn voor dit doel uitermate gesc~kt. De minimale

capaciteit van een koelmachine is echter afhankelijk van het koelmiddel en bet

temperatuur. niveau. In het algemeen wordt de minimale capaciteit bepaald door

het uittrede volume van he~ laatste loopwiel;volgens opgave van de Firma van

Swaay is 500 cuet/min (850

Dl>

/hr) het minimum. Vergelijken we hiermee de eis

voor de toepassing van een roterende compressor met expansie turbine van

mini-maal 6000 ~/hr aangezogen volume,dan is het uittrede volume van het laatste

loopwiel der compressor 1000

m3/hr

dus van dezelfde orde van grootte.

Voor een Freon 11 koelmachine met minimale capaciteit werden ons de volgende gegevens verstrekt:

verdampings temperatuur - 250 F - 2c:P F - 15<> l!' - 100 F condensor temperatuur ... 600 _{F (16° c)} zie grafiek Nr. la •

1 ton ref'rigeration - 3024 kcal/hr.

capaciteit

36 ton

-44 refrigeration

53.5

63

Ter controle is getracht om uitgaande van de eis voor het minimale

uit-trede volume van 850 ~/hr de minimale capaciteit van de Freon 11 machine

terug te vinden. De compressie van de Freon damp geschiedt in vier trappen

ter-wijl bij iedere trap afkoeling van het gecondenseerde Freon plaats vindt door

..

I

~

I

I i I ~ I ..

I

I

•

•

/

6 • 13erekening : (J )

verdempingstemperatuur: - 300 a,druk 0.094 kg/eniG condensor temperatuur: ~ 160 _{O,druk 0.779 kg/o~}

0.779 _ , ~

compressie-voud

ö:ö9i-

=

8.29 per trap 1.70~

10 _{trap: compressie van 0.094 kg/cm}2 (- 300 _{0) tot 0.159 kg/em}2

20 _{trap: " " 0 . 1 5 9 , , (- 200 0) tot 0.271 H} 30 _trap: 40 _trap:

,

,

,

,

, ,

, ,

0.271 0.459

,

,

,

,

(- 90 0) tot 0.459

(

~

3P

0) tot 0.779

, ,

, ,

( +160 _0).

H

.;:)Jri

Voor het verkrijgen van 1 kg vlb. Freon van - 200 0 uit vloeibaar Freon

~ ' / van - go 0 moet 0.0488 kg verdampt worden.

{6hnll

...

,lt--JAr.::. -~. ( /

tV"

enthalpie vloeistof - go 0

.

,

,

,

- 2()O 0 enthalpie damp - 200 0 , , vloeist - 90 C 8.19 te verdampen ----_44.86

=

0.0488 kg. 98.20 96.01 2.19 kcal/kg kcal/kg 143.06 kcal/kg 98.20 44.86 kcal/kg

Voor het verkrijgen van 1.0488 kg vlb. Freon van - 90 0 uit vloeistof van

+ 30 _{0 moet 0.0577 kg verdampt worden.}

enthalpie vloeistof •

3P

0 100.61 kcal/kg

,

,

, ,

- 90 0 98.20 enthalpie damp

, ,

vloei st. 2.41 kcal/kg 144.40 kcal/kg 100.61 43.79 kcal/kg 2.41 IC. 1.0488 te verdampen

----43:79----

-

0.0577 kg.

Voor het verkrijgen van 1.1065 kg vlb. Freon van ... 30 0 uit vloeistof van

... 16° 0 moet 0.0685 kg verlampt worden. enthalpie vloeistof

, ,

,

,

enthalpie damp +

3P

0 " vloeist + 160 0 103.24 kcal/kg 100.61 2.63 kcal/kg 145.85 kcal/kg 103.24 42.61 kcal/kg te verdampen 2.63

---42:si----

)C. 1.1065 _{= 0.0685 kg}

..

jO. • . :.. ~t... " /~~ 7.

\t

~~

~

Per kg vloeibaar !reon van -

aaP

C is duo 1.1?5 kg in de condensor te

~

.

.

:::::n::::::ng bedraagt:

\ enthalpie damp - 300 C 141.86 kcal/kg enthalpie vloeistof - 200 C 96,01

45.85 k oal/kg

~

.

Hadden we voor 4eberekening de afkoeling van-de vloeistof door partiele

~ verdamping bui ten beschouwing gelaten dan zouden we 45.38 k cal/kg gevonden

~

---. hebben. enthalpie damp - 300

C

enthalpie vloeistof + 160 C 38.62 )I. 1.175 ;:.: 45.38~k cal. 141.86 kcal/kg 103.24 38.62 kcal/kg

, ~( Voor een globale bepaling van de capaciteit i8 het dus geoorloOfd de

~)r

I

"

"eoonomizer" buiten beschouwing te laten. Het nut van de "econom1zer" is ook

~~

niet

de winst aan koude doch de besparing aan compressie arbeid.

'

t,J

'

~

I . Na compressie van Freon damp van .. 300 C tot 0.779

kgf

cm2 ts de

tempe-~~ ratuur op gelopen tot ca~C;het specifiek volume bedraagt dan 0.249 ~/kg.

I

~

Voor het voldoen aan de gestelde ei8 van het uittrede volume ad

850~/br

is

~

dus een doorzet nodig van 3.414 kg/hr. De koude levering bedraagt dan:

3.414 x 45.85

=

133.000 k cal/hr of 44 ton. Uit grafiek

N2

la volgt een

.Y

i7i750

~.t... capaciteit van 40.5 ton bij - 300 _{C. Voor een schatting van de min1male}

~7~

\

capaciteit is 4e overeenstemming voldoende •

Dezelfde berekening opgesteld voor Freon 12 met verdampings temperatuur

.. 65P C geeft het volgende resultaat:

Directe compressie van damp van - 650 C .. 0.17 kg/om~ tot 5.15 kg/cm2 (conden-sor temp. + 160 C) geeft een temperatuur stijging tot scP C. Het specifiek volume bedraagt

850

minimael

5:0487

0.04087

JIlJ/kg.

De doorzet van het laatste loopwiel is dus

=- 20.800 kg/hr. koude levering: enthalpie damp enthalpie vloe~stof .. St;<>

c

129.41 kcal/kg 103.65 25.76 kcal/kg

totaal 536.000 k cal/hr of 180 to~ refrigeration. Dit komt overeen met een

8°2 prOductie van ca SO,

ton/24~.

~

~

t~r

- J .I.;

..

, :f

,

'.

,

,

'

8.

De toename van de minimale capaciteit is direct te verklaren. Bet speci-fiek volwrië-van Freon 12 is 6.1 maal zo klein. De koude levering is 0.67 maal

ZO groot,de min1mal.e capaciteit is dus 4 maal zo groot.

Freon 22 en 13 en aethaan hebben beide een te klein specifiek volume bij

~e condensor druk en geven dus een te hoge minimum capaciteit. Freon 11,21 en 113 hebben een te geringe druk ( 0.05

kg/u?-

bij de verdampiJ1gs temperatuur van - GSD O. Tbepassing van een twee stof systeem maakt de aansohaf van twee af-zonderlijke roterende compressoren noodzakelijk. De investerings kosten zullen

dan te hoog worden. Een azeotropisch mengsel zou eventueel uitkomst kunnen

~rengen doch dit is onwaarschijnlijk.

HOewel uit de bovenstaande berekeningen geen voor ons doel geschikte koel-'

~achine aangegeven kan worden,zal voor de verdere berek~ingen uitgegaan worden

. ~ \~

~an een koelmachine met een capaci tei t van 35 toD{

tGj

een verdam.pings tempera-tuur van - 700 C. De helling van de curve capaciteit-verdampings temperatuur

zal gelijk genomen worden aan die van de Freon 11 machine.zie grafiek JQ lb. Het temperatuurs verschil tussen verdampend Freon en uittredend restgas is ge· steld op go F of 50 O.

V Berekening van de hoeveelheid calorien nOdig om het roostgas at te koelen

en het zwaveld10xyde te condenseren.

Zowel stikstof als zuurstof hebben in het temperatuurs traject - 1900 0 tot + 260 0 een soortelijke warmte bij constante druk van 6.95 cal/mol 00

= 29.1;r/JlJDl 00 (4) en (5).

Theoretisch is de waarde van cp b1j lage. temperatuur voor twee ato ige gassen

7J2 R = 29.4 J/molo O. In de berekeningen is als gemiddelde 7.0 cal/mol 00

~angenomen.

Voor 502-gas zijn veel gegevens bekend voor hoge temperatuur doch voor

, lage temperatuur ontbreken vrijwel alle waarden van Cp. Extrapolatie met e-hulp van de formule van van Hugh en Gordon (6) tot - 500 0 geett voor

er "

cp = 8.77 cal/mOl 00 en uit de diagrammen . . . die "Kilte regeIn 1s 1n het gebied van 00 C tot - 500 0 een waarde van 9.15 cal/mol 00 gevonden. (3) Theoretisch is de waarde voor drie atomige gassen bij lage temperatuur

cp :: 4 R = 33.3 ;r/mol 00 ~ 8 cal/mol 00. Als gemiddelde 1s cp = 9.0 Cal/molOe aangenomen.

De condensatie warmte van 502 gas i8 gevonden door ,grafische extrapolatie

~, '/

•

•

9.

De deîlllpspannings curve weergegeven in grafiek

IP

2 is ontleend aan

"

Perry 1950 (7). De waarden zijn iets lager dan die der"Eälte regeln;deze

laat-ste gaan slechts tot - 500

o.

Uit deze gegevens en de gestelde eis omtrent de totaal druk van

1.2 kg/cm2 is berekend hoeveel calorien onttrokken mieten worden en de hoe-veelheid 802 welke condenseert. Verondersteld is dat het mogelijk is het verse rOostgas tot ~ 400 0 VOOr te koelen in de warmte wisselaar.

Bij de berekening is uitgegaan van 1 mol N2 +- 02 met resp.

0.0695 mol

802

geeft 6.5 vol

%

802 i - 30.85

0.0753 mol 502 7.0 vol

%

802

U

=

31.00

0.0812 mol ~ 7.5 vol

%

802 K

=

31.15

Het dauwpunt voor 6.5 vol

%

gas ligt bij - 55.35 0c voor 7.0 vol

%

bij

- 54.25

°c

en voor 7.5 vol

%

gas bij - 53.20 0 C.

Achtereenvolgens zijn bepaald: 1) hoeveelheid 502 welke condenseert.

,

,

,

,

,

,

802 welke in het gas achterblijft •

calor1en nodig voor het afvoeren van de latente warmte. cal nodig voor afvoer van de vloeibare warmte van het gas en

het reeds gecondenseerde 802.

De verkregen gegevens zijn omgerekend op 100 kg vers gas en in tabel

1 en de grafieken NO 3 en 4 weergegeven.

))J:

~

.

Met behulp van de karakteristiek van de koelmachine is tabel 2 opgesteld •

/: \' . Het

1JV1""

resultaat is weergegeven in grafiek NO 5. Hieruit blijkt duidelijk dat de meest economische werking verkregen wordt bij een temperatuur welke slechts

4.5°0 onder het dauwpunt ligt. Naarmate de helling van de karakteristiek van

~

de koelmachine kleiner wordt zal het maximum naar lagere temperatuur

ver-I schuiven;bij horizontaal verloop ontstaat geen maximum. Naarmate het gas

rijker wordt aan 80_{2 zal het maximum scherper zijn en naar hogere temperatuur} verschuiven. De afstand maximum dauwpunt blijft echter 4.5 °0.

In tabel 3 zijn de omstandigheden VOOr de meest economische werking weergegeven.

Het energie verbruik van de koelmachine en de roostgas blower is buiten beschouwing gelaten. Voor de bepaling van de mintmale kostprijs moeten deze ook in rekening gebracht wOrden.

TABEL; ·I. k cal nodig o~ 100 kg vers gas totale productie in kg v1b S02/1OO kB 10 C at te koelen vers gas na .afkoeling tot de laagste

temperatuur

6.5 vo1~ 7.0 vo1% 7.5 vo1% 6.5 vo1% 7.0 vol% 7.5 vol %

- 52 tot - 53° C 26.5 26.6 26.8 -~ - 540 C 26.5 26.6 122.0 0.80 - 5fP C 26.5 113.0 152.1 0.73 1.84 - 56° C 100.4 146.3 146.8 0.63 1.74 2.84 .; 570 C 140.5 141 .. 0 141.5 1.60 2.70 3.79 - 580 C 129.4 129.9 130.4 2.47 3.56 4.65 - 5,0 C 118.5 119.0 119 .. 5 3.25 4.33 5.40 ,cO ... - 600 _{C 113.1 113.5 114.1 3.98 5.05 6.12} - 610 C 107.6 108.1 108.6 4.66 1.7-2 6.78

..

_{- 620 C 108.0 108.5} 109.0 5.34 6.39 7.45 - 630 C 96.8 97.2 97.7 5.92 6.97 8.02 ... - 640 C 97.0 97.4 97.9 6.50 7.55 8.59 I - 65° C 85.7 86.2 86.7 6.98 8.03 9.06 - 660 C 85.' 86.4 86.8 7.47 8.51 9.34 - 67° C 86.1 86.6 87.1 7.95 8.99 10.01 - 680 C 74.7 75,1 75.6· 8 .. 34 9.37 10.39 - 690 C 74.9 75.3 75.8 8.73 9.75 10.77 - 69 tot - 700 C 75.1 75.5 76.0 9.12 10.14 11.15

•

L

._- --

_ . _

-• TABEL: 11 6.5 vol

%

7,.'0 Tol

%

7.5 Tol ~

afkoelen benodigde dO~izet prod. benodigde doorzet prod. benodigde doorzet prod.

van - 400 C _{k cal} 100 kgkg/br kcal in kg/U kcal 1n

q/br

tot Jl8r 100 kg 100 kg 100 kg - 53" 348.4 - Me 372.4 470.4 462 369

-

ssO

397.5 485.4 423 309 622.5 379 606 - 560 ₁ 497.9 390 245 631.7 307 534 769.3 252 717 I - 5.,0 638.4 286 458 772.7 237 640 910.8 201 762 , - 5SO 767.8 225 555 902.6 198 684 1041.2 166 773 - 59Q I 886.3 183 595 1021.6 159 690 1160.7 139 755 - 6~ 999.4 152 605 1135.1 134 678 1274.8 119 732 - 61q 1107.1 129 603 1243.2 115 658 1383.4 103 703

..

, - 62'> 1215 .. 0 109 585 1351.7 98.5 629 1492,4 89.4 666 - 63Q 1311.8 94.3 560 1446.9 85.7 597 1590.1 78.2 62'1 _ 64° _{1408.8 81.7 530 1546.3} 74.5 562 1688.0 68.3 586 _ 65(i) _{1494.5 70.8 495 1632.5 65.0 522 1774.7 59.8 543}

TABEL: ,111 6.5. vol ~ 7.0 Tol

%

7.5 vol

%

d.auwput

-.

55.350 _{C 54.25}0 _C

-

_{53.2° C} temp .. max • - 600 C - 590 _C _ 580 C

...

prod. kg/hr 605 690 773 ton/24 hr 14~5 16.5 18.5 doorzet kg. hr 15.200 15.900 16.600 760 mm 1.38 1.39 1.40 doorzet _. norm _, ~/hr 11.000 11.430 11.860 , re8tga~ vol

%

S02 ~ 5.00 5.37

'11r'~

-..

/~;~}-';ct;.

j-:''':';'->:J .. __

L'':'''+;-;'';''-.;.j~-....;~,+..;..~.::..:.t.:.::;'':~~lr

- ':'1:- -- .

.J-

.

-

:

--,

-~-l.

::-~;"-:-- .~_.t --.e';" : ; " i . I - ; . '

.

+~·~r~~j:-:·· i:

0,/ 0 , 0 / 9 _ _ __ _. -8~ I 71-H1++-++4+H-IH- i " ~, I .1 I I i. 2 • •" ' i

'al.'

_ _

a

! I. , I I !~. I ! _.-L 1 , ~ 1 1 ' , ' , 1,1 , , lUI ; ~±I,..i.,+ ' ! I ,', : H-I+t++I+!-t+I++H-t+++-1H-!-4-1+<f++-j<Xq+I+t++++1H1-++++I+t+!-+-h,.i'+t-t-r:H!, ~m+,' ,: ,I,',' " H , ' . . . , 'I! I

l

:r

i ,Li "I,; :1' I,:

!] : i I I I I ,. , : I , I ; I: I i I I! ! i: I i I , ! IT+r·1H-i-1+:# , f+++H

9::

~~~if~'[1 1ï~'

;

~

~~~~~~~'ti~~

; ,,:;-y'';'~'I'~++H-J~,

"

~~'~~~

'

~-t~+rt:1i~~i'

i

I ! .1 I

H-H-i-i-i++-rl H-H'-++-++++I I+-lM_{++++f+l++++l+f+I-H-t-:-'} t+-' H'J..+~' +' +-' t-l--'W-'; ; I ~

h-

~~: 11 I ; ' I I ~ : ~ ' j ! I '. I I .; 1

6 ' ! ' , , " "*"I'-I,,~';'r-,-+7f~ittt'l I " ' " ,

I [ 1 ,11 ; IJ, I I , I ! I I I!

LU

-J ! i ;.;tl-L4i-i~

:

/~;O 1111 if ,lil I I I

SH,I-t-i l+o-HI1+1+H~-~I~irl-.t+-\lIH:+++-H++t+-l+++-1!+++I+-t++I++-Il-Jli4:..!.I+--HII"ff+l1+T-H,I~J.jJ":; I :+'r ' ;

r

',i.: , I;: I' ,:; ' ! !

11:: I I ! I i! IJ !I' I, i I ! I ; 11 i 1 i! I'

fT'i'T

i 11 I! :: ' i I i : :

L!

:

+

'

'H"~ I, " ! 11 ' 41'1 I'I11 ,I-i ~T Y' il',1 [ I 1 , 1 I1 11 , I:Tl""l-I tr' ' , ~"h"~l"'-IL:-: ':'!~:rr:+ : ' , , : ' , ,I '1' " I 'i:~Ti+r";-II, -'-t, I, II! ! '

, ". rt ' ' ,-H++d ,GI -H.!+I-· ,j.,..L;I,,.. H-8-~~

-:- , I I-+-t++ ~ --I r-;--r-i-r ~ h .. ., t-h-T+r+ " ' I

,H+h-

'

+fW'q:

2':;m~"~~ lï-Tt~~J.l.L";~ ,

3

l

mm~q:tt:r=ttt

1

I+t+m:ttttttt

'

ti

l

tt:tJp=l:

'

l.ttttt,

tttrtttt±t:

t:!l,iÜrI'

;+i:f.'+-H-~lmRtr.;r:';l::

"

H-H-l-i+Hbf-f-H-H-H', ,+t- i I " ., .. , ' ;+LL.:~' 1-; I rr i:' ,I I _ ï .11 ': L ; , 71 .... , + 'J..Wi--, H,-i-i ,+1-++1:

I

I : I n I I • I 11' , J1i." ; J.lilll ! i 1 . I: ' I ' i1 t r"r; : I I: , ,-tT

~~t~+~n:,t"'rt+:+ltï:-H'

4

'

+

i-i'

'

+H-i-

:

+'ll-f++-4rl+i+++

11+1 i+tl

; JJ! Ilit71-:-iT!

:

_

:.1

HU! 1'11, i

I

i

I!!

I, I i I,T, i1 !;:

1

2 :\ , l i l · , ! I,ill::i i,i: I, '11 '11 ':'U ' "~' I ' 11 ,"1

I 1 I 1 I i -60 ..i ; I ' I , 1 11 1I i , I ! lii -/0 o 10 OeeIstrepM ia IS, mm _ I ~. ""ht~

'-

~

"' ..

:. , "

,

' , : " ,

'I" :,'

,. -,j, :, , ~' ..

"'-'1

,I "! ~ ., ,~ , , J ; :-;r:...:~h- -:T--~---:---~f7·:-~--.... ~--:~~+~-:-L. ~i":;-l " , , ,j , ,

I;

.

'

I'" I ' "

}~J~J~.~~'l,

...

L;C~t_ .'

"-T-~:"

I I ! ! j i

j~-l~~L-L

'1:';

" d ' . , . ~." -. ; , .

I." '"

,";.1·· . j ' " ,,; .

:ilj~._+~-j

.•

,~.~;;:,L.

::,

'"

, - - - -- - - ,

-10.

VI Berekening van de warmte wisselaar.

Bij de bestaande installatie van de K.Z.F. is de warmte wisselaar,

waarin het roostgas voorgekoeld wordt met het koude retourgas,opgebouwd uit

12 secties n.l. steeds drie parallel en vier in serie. Iedere sectie heeft

een lengte van 5 meter, een diameter van _292/278 mm en bevat 24 pijpen van

38/30-mm• Deze pijpen zijn gerangschikt op de wijze als in fig. 6 aangegeven.

Het koude retourgas stroomt door het bovenste twaalftal van iedere sectie,

"

terwijl het verse roostgas de onderste twaalf doorloopt. De warmte overdracht

wordt verzorgd door de ammoniak waarmede de secties gevuld zijn. De vl . . ibare

ammon~ak in het onderste deel verdampt n.l. door warmte opname van bet verse gas;terwijl de ontstane damp op de koudere pijpen in de bovenste helft weer

condenseert. De reden waarom een dergelijke constructie werd verkozen,1s dat

dapijpen zowel aan de zijde vaDhet verse gas,als aan die van het retourgas te

reinigen moeten zijn. We krijgen bij deze gassen n.l. altijd vorming van

een korst op de pijpen. Door de koppen van de verschillende secties at te schroeven zijn de pijpen eenvoudig inwendig te reinigen.

Bij de berekening van de warmte wisselaar,die in de pléats moet komen

van de boven beschrevene,werd vastgehouden aan de nu geldende in- en u1ttree temperaturen,n.l.: vers gas in : retourgas in:

-600

0 uit: - 400 0 } in tegenstroom uit: -

rS>

0

..

Uit de voorafgaande berekeningen bleek,dat door deze warmte-wisselaar stroomt:

vers sas: 15.900 lfg/hr retourgas: 15.210 kg/hr.

Er wordt dus overgedragen (berekend op de zijde van het verse gas)

15.900 x Cp x. AT "; 15.900 '" 0.23 x 55 - 201.100 kcal/hr.

De soortelijke warmte Cp bij de gemiddelde gas temperatuur van - 12.5'> C

werd berekend uit de waarden voor lucht '

7.0 cal/mol 00) en 802 (9.0 cal/mol 00) n.l. 0.23 kcal/kg 00.

Daar we hier te maken hebben met een ltyzondere constructie van

warmte-wisse~aar en ons geen gegevens ten dienste staan omtrent de druk en de tempe-ratuur van de ammoniak,kan een en ander slechts benaderd worden.

De totale warmte-doorgangs coeffieient U in de warmte wisselaar wordt bepaald

I

I -I • " i

r-

",,-i

I

!

I

!

j

,

I

i i \. ; 0 •• I ~o". I 0_1.

I

_! i

r

I

I

'

~

,

-- - _ ' , _ ' .. :-. '0;'--

'

-

-

~

.. . . ~ ,

,

, ! I 1 o I , j. o 1

,

_____

,i

..

•

...

11.

1. De partieele warmte overdrachts coetticienten aan de zijde van vers-, en retourgas ( 0(., resp. 0( r).

2. De dikte cA en het warmte ge1eidings vermogen ~w van 4e pijpen.

3. De part. warmte overdrachtaooetticienten aan de zijde van de verdampende resp. condens't-ende ammoniak (~.l resp. o(~ ) .

De voor de berekening van deze grootheden benodigde numerieke gegevens werden ontleend aan I.C.T.,Perry en MBo Adams (4,7,8).

De resultaten zijn weergegeven in de volgende tabel: Tabel 4,

vers gas in vers gas uit retourgas in retourgas u11; ( 1~ c) (-400 c) (- 600 c) (- 50 c) Di 0.03 0.03 0.03 0.03 Dl ). _{0.025 0.021 0.020 o.o24}

V

_/a

_°c

_sec.

I'

1.47 1.81 1.98 1.58 kg/m3

,

12 12 12 12 mlsec.

,

1.73 10-5 1.50 ),0-5 1.43 10-5 1.65 10-5 N. sec/aB cp 963.7 963.7 963.7 963.7V"/kg 00 Re 30.550 43.400 49.790 34.410 Pr 0.666 0.688 0.688 0.664 (Re~.8 3873 5129 5724 4260

Pr°.

3,.,. 0.885 Ps,-0.3 :. 0.894 prO·4 = 0.861 Pr0.4-: 0.849

Hierin duidt Di de inwendige diameter van de pijpen aan.

Voor de gemiddelde gassnelheid' is in alle vier gevallen 12 mlsec. genomen, een waarde welke bij metingen aan de bestaande lBstal1atle werd gevonden.

(Zie: P.W .. Pteiffer.Verslag Practisch Werk). Variaties tengevolge van versohil

in d~k, temperatuur en samenstelling zijn hierbij dus vei'waar1oosd.

Bij het vers gas werd oc.~ berekend met de rormule: Nu:. 0.0265 (Re.)0.8 (Pr)0.3 •••••••••••••••••• (1) welke geldt bij atkoelen van het medium. Deze geert: Nu:- 90.8 resp. Nu

=

121,6, zodat

Olv::: }. Nu "::: 75.8 resp. 85,2

1/m2

0c sec. or

D.

": 65.3 resp. 73.2 k Cal/"" °C. hr Voor het retourgas,wat dus verwarmd wordt geldt:

, " . , ... _,.: ~ .. . ' :,:.,. :: ... . ... -... ----, ----.-.---+-il~ __ """ ! '---- -{ damp -Freon 'Vloeistof -.", Fig. 7 , " .~

..

: ... , .

..

. _

-18.

Wanneer de afzet van vloeibaar 002 de productie van ca 30 ton/24 br

mogelijk maakt zal opnieuw bezien moeten worden of het atroom proces nog steeds de voorkeur verdient boven het proces toegepast door Leverkusen. Hét afroom proces kan dan zodanig uitgevoerd worden dat de totale stroom

7 vol

%

S02-gas eerst door de S02 fabriek geleid wordt en het ca 5 vol ~

restgas na Jttectieve terugwinning der koude,door de contact fabriek ver-werkt wordt op zwavelzuur.

Bijvoorbeeld:

19.450 norm. m3/hr 7 vol

%

S02-gas,koelen van ... 200 _{C tot _40}0 _{C: 397.000kcal6r} koelen van -400 _{C tot -5gO C: 266.000 kCal/hr}

afromen tot 5 vol

%

S02 geeft producten aan vloeibaar 802 van 28.2 ton/24 hr.

19.050 norm ~/br 5 vol

%

restgas geeft een zwavelzuur productie van 100 ton/24 hr monohydraat.

Lage druk cOlllpresl!IOr: 4 cyl., ~ -=-260 .mm., sl

-=

200

mm.,

n ~ 420

aangezogen volume 1070 m3/hr.,compressievoud 6,

van het koelmiddel

-aan de dichtheid toorzet koude levering k koude levering kcal/hl" 0.160 2 .957 315.6 200

,temperatuur van het smoorventiel ia

.332 0.60 0.852 1.99 84.43 46.200 (3)

Hierui t blijkt dat alleen door de verv:a~~ll:JLg van 0.""'"".<;',&,0.",," door aethaan

een sterke vergroting van de koel worden.

I I .. I

.

_f. • LlTERA 'lUUR:

1) Rapport S02 - bereiding van K.Z.F.

2) H.Schnell. V.D.I. Zeitschritt 92, 1017 , 1950.

3) KSltemachinen - Regeln.

Kälte technischen Instituut der Technische Bochschu1e Kar1srube. 1950~

4) International Critica1 Tables.

5) Heck,Robert C.H.

Mech, Eng. 62 t 9 , 1940.

6) van Hugh M.Spencer and Gordon N. Flannagan.

J.Am.Chem.Soc. 64 , 2511.1942.

7) Perry Chem.Eng. Handbook.

8) W.H.Mc Adam. Heat Transmisslon