Productie van chloor uit HCl volgens het MT-Chlor proces

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

.fittli'

TU Delft

F.V.O. Nr: 2922

Technische Universiteit Delft

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

Ot to 0 ud sbo 0 rn

Arthur van der Linden

onderwerp:

Productie van Chloor uit HCl volgen het MT-Chlor Proces

adres: O. Oudshoorn Oostsingel 107 2612 HG DELFT tel: (015)-136602

A. van der Linden Oude Delft 89 2611 BD DELFT tel: (015)-123654

opdrachtdatum: Se p t • 199 1 verslagdatum: Me i 1992

I

.

•

•

,e

,

•

•

•

•

•

•

•

FV~2922

1.

SAMENVATTING

In veel chloreringsprocessen gaat de helft van het chloor verloren in de vorm van Ha. Effectief ketenbeheer vereist de terugwinning van chloor uit HCI. Processen waarbij HCl direct geoxideerd wordt tot chloor worden Deacon processen genoemd, naar de Brit Henry Deacon die in 1868 het eerste HCl-oxidatie proces patenteerde.

Het MT -Chlor proces is een moderne versie van het Deacon proces waarbij de oxydatie van zoutzuurgas tot chloor plaatsvindt met behulp van zuurstof. Als katalysator wordt chroomoxide (Cr₂0₃₎ op een siliciumoxide drager gebruikt.

De oxidatie vindt plaats in een fluïde bed reactor bij een temperatuur van 400°C. Bij deze temperatuur is de conversie per pass 68.4%. De overall-conversie van het proces bedraagt 92.2%. De zuiverheid van het geproduceerde chloor bedraagt 99.5%.

Per ton geproduceerd chloor wordt er 0.33 ton 20 wt% zoutzuur en 10.2 kg 75 wt% zwavelzuur als bij produkt verkregen. De spuistroom (10 wt% C1₂₎ van 174 kg/ton produkt wordt geneutraliseerd met natronloog waarbij natriumhypochloriet gevormd wordt.

De capaciteit van het proces is 30 000 ton chloor/jaar.

De investeringskosten bedragen fl. 19.2 miljoen. De pay out time van dit proces bedraagt

3.6 jaar en de internal rate of return 13%.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2.

INHOUDSOPGAVE

1. SAMENVATIIN'G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1

2.

INHOUDSOPGAVE . . . 2 3. CONCLUSIES EN AANBEVEUNGEN . . . 5

4.

5.

6.

7.

8.

3.1 Conclusies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 3.2 Aanbevelingen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 INLEIDING . . . 6

UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP . . . 8

5.1 Exogene gegevens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 5.2 Endogene gegevens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 5.2.1 Fysische constanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., 8 5.2.2 Corrosie-aspecten . . . ... .. .... .. .... . . 9 5.2.3 Toxiteit en Veiligheid . . . 9 PROCESVOERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11

6.1 Beschrijving van het Proces . . . 11

6.2 Flexibiliteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12

6.3 Inbedrijfstelling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12

PROCES CONDITIES . . . 13

7.1 De Thermodynamica van het Deaconproces .. .. . . 13

7.2 De Kinetiek van het MT -Chlor Proces . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13

APPARATUURKEUZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15

8.1 De Fluïde Bed Reactor R3 .. . . . . . . . . . . . .. 15

8.2 Cycloon M4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 8.3 De HCI-Absorptietoren T6 . . . . . . . . . . . . .. 16 8.4 De HCI-destillatietoren T13 . . . 16 8.5 De Droogtoren T17 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 8.6 De Chloordestillatie Toren T24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 8.7 De Spuigaswasser M26 . . . 18 8.8 De Koelinstallatie, C30/H28/E25/M29 .. . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 8.9 De Thermosyphons H15 en H22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 9. MASSA- EN WARMTEBALANS . . . 19

10. OVERZICHT SPECIFICATIE APPARATUUR . . . 28

10.1 Apparatenlijst voor Diversen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28

10.2 Apparatenlijst voor warmtewisselaars. . . . 30

10.3 Apparatenlijst voor pompen, blowers en compressoren . . . :... 32 2

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FVO-2922 10.4 Wanntewisselaarspecificatiebladen 35 11. ECONOMISCHE BESCHOUWINGEN .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 11.1 Investering... 43 11.1.1 De Omzettnethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 11.1.2 Stapmethodes . . . 43

11.1.2.1 Zevnik -B uchanan Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43

11.1.2.2 Uitbreiding op Zevnik-Buchanan . . . 45

11.1.2.3 De methode van Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45

11.1.3 Factor methode volgens Lang .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45

11.2 Kosten... .. . . 46 11.2.1 Variabele Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46 11.2.2 Semi-Variabele kosten . . . 47 11.2.3 Vaste kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 11.2.3.1 Onderhoudskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48 11.2.3.2 Loonkosten . . . 48 1l.3 Opbrengst... 49 11.4 Overzicht... . . . .. . . 49 1l.5 Afschrijvingen . . . 49

1l.6 Return on Investment (ROl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50

1l.7 Pay-out time (POT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50

1l.8 lnternal Rate of Return (IRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50

12. SYMBOLENLUST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51 13. REFERENTIES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 BULAGE A A.l A.2 A.3 BULAGE B B.1 B.2 B.3 De Bepaling van enkele Fysische Grootheden . . . . De Gasfase Diffusiecoëfficiënten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De Vloeistoffase Diffusiecoëfficiënten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bepaling van de viscositeit van het systeem HCl/Water . . . . Berekeningen aan Kolom T6, T13, T16 en T24 . . . . Berekening van de kolom diameter ... .. . . ... . .. . Schatting van de hoogte van de pakking . . . . Bepaling van de grootte van de onderste pakking in Kolom T6 .... . 56 56 56 58 59 59 59 61 BULAGE C Berekeningen aan Reactor R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62

BULAGE D Berekeningen aan Warmtewisselaars . . . 64

BULAGE E Berekeningen aan Thermosyphons H15 en H22 . . . 68

BULAGE F Berekening Cyclonen M4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69

BULAGE G Chemiekaarten van voorkomende Stoffen. . . . . . . . . . . . . . . .. 70

•

PVO-2922

•

BULAGE H Computerprogramma voor de berekening van Warmtewisselaars. . . .. 73

•

•

•

•

•

•

•

•

•

₄

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FVO-2922

3.

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 3.1 Conclusies

Het MT-Chlor proces is een end of pipe proces waarin uit een HCI-afvalstroom een

bruikbaar produkt wordt gevomui. Voor de chloorproducerende industrie biedt dit de mogelijkheid tot effectiever keten beheer, hetgeen het milieu ten goede komt.

De directe oxydatie van HCI tot chloorgas met het MT -Chlor is een verbetering op de conventionele Deacon-processen, zoals het Kel-Chlor en Shell-Chlor proces. Dit is te

danken aan de verbeterde katalysator. Deze is slijtvaster, stabieler en actiever dan eerder

toegepaste katalysatoren.

De totale investeringen bij een chloorproduktie van 30 000 ton/jaar bedragen fl. 19.2

miljoen. De pay out time van dit proces bedraagt 3.6 jaar en de internal rate of return

13%.

Toepassing van het MT-Chlor proces is aantrekkelijk mits: • de produktie van HCI als bij produkt onvermijdelijk is en:

• elektrolytische omzetting te kostbaar wordt of • het lozen van HCI niet mogelijk of te duur zou zijn.

3.2 Aanbevelingen

Er zou onderzocht kunnen worden of de HCI-spui verkleint dan wel geëlimineerd kan

worden door recirculatie. Een probleem hierbij is dat de HCI-oplossing een azeotroop vormt, zodat het water niet door destillatie is af te scheiden.

Bij het proces komt veel warmte vrij. Deze is echter van een lage kwaliteit. Onderzocht zou moeten worden hoe de geproduceerde warmte beter benut zou kunnen worden om tot een betere warmte-integratie te komen.

:

.

•

•

:

_,

.

I

I

I

I

·

•

•

•

'

,

.

FV().2922

4.

INLEIDING

In veel industriële chloreringsprocessen wordt een belangrijk deel van het chloor omgezet in bijprodukt Hel. Voorbeelden zijn de produktie van freonen, chlorobenzeen en andere chloreringen van organische verbindingen bijvoorbeeld insecticiden. Ondanks de vele toepassingen van HCI in de chemische industrie is het aanbod van HCI meestal groter dan de vraag. De hoge kosten die gemoeid gaan met de neutralisatie en verwijdering van het HCI- overschot maakt de herproduktie van chloor uit HCI aantrekkelijk.

Er zijn twee commerciële routes voor de terugwinning van chloor uit HCI: elektrolyse en directe oxydatie.

De elektrolytisch decompositie van het HCI is aantrekkelijk op lokaties waar elektriciteitskosten laag zijn. De reactievergelijking is:

M-I

=

92.1 kJ/mol HCI (1)

De directe oxydatie reactievergelijking staat in vergelijking (2).

M-I

=

-28.1 kJ/mol HCI

(2)

Processen waarin HCI wordt ge-oxydeerd tot chloor zijn al ruim een eeuw bekend. In 1868 patenteerde Henry Deacon een proces voor de gasfase oxydatie van HCI met lucht waarbij koperchloride als katalysator werd gebruikt [Deacon 1868]. Dit proces, dat door sommigen het eerste industrieel toegepaste katalytische proces wordt genoemd, was tot in de tweede helft van de 1ge eeuw de voornaamste bron van chloor en maakte gebruikt van het bij produkt HCI uit het Leblanc soda proces. Het verdwijnen van het Leblanc proces, als gevolg van de opkomst van het Solvay proces (± 1910), betekende tevens het einde van de goedkope HCl-stroom. Het Deacon proces moest plaats maken voor de elektro-chemische produktie van chloor uit natriumchloride. Dit luidde het begin in van de chloor-alkali industrie.

De ontwikkeling van katalytische gasfase HCI oxydatie processen, 'Deacon' processen, heeft lange tijd stil gestaan. Oplossingen voor problemen als; lage conversies, korte katalysatorlevensduur, ongunstige reaktiekinetiek en de hoge apparatuur- en proceskosten, bleven uit. De directe oxydatie van HCI bleef hierdoor economisch onaantrekkelijk en technisch moeilijk realiseerbaar [Arnold en Kobe 1952, MT-Chlor patent 1987a]. Een opsomming van de ontwikkelingen tot op heden staat vermeld in tabel 1.

In 1984 is het Japanse bedrijf Mitsui Toatsu Chemicals (MTC) begonnen met de ontwikkeling van het MT-Chlor proces. De bouw van deze $10.4 miljoen plant is begonnen in 1987 [Chemical Week 1987]. Deze plant draait sinds augustus 1988 op de volle capaciteit van 30 000 ton chloor per jaar. Het proces gebruikt een chroom-katalysator in een gasfase fluïde bed reactie. Belangrijke voordelen van het MT-Chlor proces zijn [MT-Chlor patent 1987a]:

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FV().2922

• Een relatief lage reactietemperatuur van 400°C waardoor de apparatuurkosten lager

kunnen zijn dan in conventionele Deacon-processen. Bovendien ligt bij 4OQOC het reactie-evenwicht (2) gunstiger dan bij hogere temperaturen.

• Voor de opwerking van het chloor zijn geen oplosmiddelen (e.g. C0₄₎ nodig. Het

chloor wordt na compressie in een destillatietoren opgewerkt.

De zuiverheid van het geproduceerde chloor bedraagt volgens MTC 99.5%. Het MT-Chlor proces wordt aantrekkelijk daar waar HO als bijprodukt wordt geproduceerd en waar de elektriciteitskosten te hoog zijn voor de produktie van chloor via de elektrolytisch route (Chemical Week 1987].

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FV().2922

s.

UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP

5.1 Exogene gegevens

Voor de bedrijfsvoering is uitgegaan van een produktie van 30 000 ton/jaar chloor bij een procesvoering van 8000 uur/jaar. Deze produktie komt overeen met de produktiecapaciteit van de reeds bestaande MT-Chlor plant elektrolytisch route [Chemical Week 1987].

De HCl-voeding is een afvalstroom van een ander proces, bijvoorbeeld de chlorering van een organische verbinding, en zal dus verontreinigingen bevatten. Op de voorbehandeling van de HCl-voedingsstroom wordt niet verder ingegaan en er wordt verondersteld dat deze stroom nagenoeg zuiver is, op enige resten N2 en CO2 na. De 02-voedingsstroom kan afkomstig zijn van een leidingnetwerk. Op deze schaal kan het aantrekkelijk zijn de zuurstof on-site te produceren. In de 02-voeding is enig stikstof aanwezig. De samenstel-ling van de voeding zijn weergegeven in de componentenstaat; stromen 1 & 2 (Hoofdstuk 9). De zuiverheid van het produkt bedraagt 99.5%. De conversie is 92.2% (mol Cl in het produkt per mol verbruikt HCl).

Bij de bedrijfsvoering zijn per ton geproduceerd chloor nodig:

HCl-stroom: 1.19 ton Zuurstofstroom: 0.31 ton Zwavelzuur 98%: 7.97 kg Water: 7.49 kg Natriumhydroxide: 20.3 kg MP-Stoom: 736 kg Elektriciteit: 118 kWh Koelwater: 50 ton

De bijproduktstromen bedragen per ton geproduceerd chloor:

Zwavelzuur(75 wt%): 10 kg Zoutzuur (20 wt%): 332 kg Spui (10% CI2): 174 kg 5.2 Endogene gegevens

5.2.1 Fysische constanten

Voor de fysische constanten van de in het proces voorkomende stoffen werd gebruik gemaakt van het gegevensbestand van het simulatie-pakket ChemCAD. Omdat de benaderingsmethoden voor de bepaling van de enthalpiën van elektrolyten in oplossing te kort schoten, is dit bestand uitgebreid met experimentele waarden voor de oploswarmte en

,---~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FVO-2922

partiaalspanningen van de systemen H~O en H2SOJH20. In tabel 2a en 2b zijn de

partiaalspanning en de _{oploswannte van het systeem HC1/H20 weergegeven. In tabel 3 en}

figuur 5 zijn de partiaalspanningen en oploswannte van het systeem H2S0~O

weergegeven.

Voor de bepaling van de gas- en vloeistoffase diffusiecoëfficiënten wordt verwezen naar

bijlage A.

5.2.2 Corrosie-aspecten

In het proces komen drie uiterst corrosieve media voor: zoutzuur, zwavelzuur en chloor. In zuivere vorm zijn deze stoffen niet bijzonder corrosief. In de aanwezigheid van water echter wel. Dit brengt consequenties met zich mee voor de materiaalkeuze van de apparatuur vóór de droogtoren T13 in het processchema, fig.1. Daar waar nodig zijn de apparaten of apparaatdelen uitgevoerd in Hastelloy B, C of D. De eigenschappen en toepassingen van deze legeringen zijn als volgt:

HASTELLOY B

HASTELLOY C

HASTELLOY D

Goede corrosie bestendigheid tegen vochtige HCl-gasstromen of HCI-oplossingen. Minder geschikt voor vochtig chloorgas. Duurder dan Hastelloy C.

Iets minder bestand tegen vochtig HCI-gas dan Hastelloy B,

maar nog steeds goed. Goede tot zeer goede

corrosiebestendigheid tegen nat chloorgas.

Wordt voornamelijk toegepast bij hete geconcentreerde zwavelzuur-oplossingen.

De materiaalkeuze van apparaten en leidingen na droogtoren T13 is minder kritiek. Vanwege de lage temperaturen moet wel rekening worden gehouden met het bros worden van sommige legeringen.

5.2.3 Toxiteit en Veiligheid

Van de gebruikte stoffen brengen met name chloor, zoutzuurgas en geconcentreerde zoutzuur- en zwavelzuuroplossingen risico's met zich mee. Dit risico wordt nog eens

verhoogd door de verhoogde drukken die in de plant heersen. Bij de procesvoering dienen

de nodige veiligheidsmaatregelen met betrekking tot lekkages genomen te worden. Met name chloor- en zoutzuurgasontsnappingen kunnen een bedreiging vormen voor omwo-nenden en personeel. Voor de veiligheid van het personeel zullen de gebouwen op het fabrieksterrein een 'open structuur' en/of goed ventileert moeten zijn. Verder zal er een vluchtplan en een duidelijk rampenplan moeten zijn voor het geval zich calamiteiten

•

•

•

•

I

•

•

•

•

•

•

FV().2922 voordoen.

Geen van de in het proces aanwezige stoffen is brandbaar. Het enige explosiegevaar wordt gevonnd door het werken bij drukken van 5 tot 25 bar.

De fysische constanten, explosiegrenzen en MAC-waarden van de in het proces voorkomende stoffen staan in bijlage G.

10

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

FVO-2922

6.

PROCESVOERING

6.1 Beschrijving van het Proces In fig. 1 is het processchema weergeven.

Door middel van blower PI womt het reaktiemengsel naar de fluïde bed reactor R3 geleid. Bij een temperatuur van 400°C vindt de oxydatiereaktie plaats. Om te voorkomen dat er katalysator wordt meegevoem naar de scheidingssectie zijn de drie cyclonen M4 geplaatst. In de bodemsectie van T6 wordt de gasstroom gekoeld naar 95°C waardoor het grootste deel van het water uitcondenseert. Deze quench wordt gerealiseem door rondpomp stroom 14, welke gekoeld wordt in H7 en Hl!. In de bovenste pakking van T6 wordt het niet omgezette HCI vrijwel volledig opgelost in de azeotropische zoutzuuroplossing (20 wt%) afkomstig uit de bodem van T13. Om de laatste resten HCI te verwijderen wordt met zuiver water gewassen over twee klokjesschotels. De temperatuur van de gasstroom die de kolom verlaat wordt nu in H5 en H8 teruggebracht van 60 naar 15°C om zoveel mogelijk water te condenseren, dit met het oog op het minimaliseren van het H₂S04-verbruik in

kolom T17. Dit condensaat komt terecht in de condenspot van H5 (niet weergegeven) en vat VlO en wordt van daar uit bij de waswaterstroom gevoegd.

De bodemstroom van T6 (30 wt% HCI) wordt, na koeling in H7, deels naar TI3 gepompt en deels teruggepompt naar T6. In T13 vindt de terugwinning van niet omgezet HCI plaats. Het zoutzuurgas bovenuit TI3 gaat terug naar de reactor en de azeotroop wordt na koeling in H22 en HI4 teruggevoerd naar T6. Om ophoping van water te voorkomen wordt een deel van de azeotroop gespuid (stroom 25).

Het gasmengsel wordt onderin droogkolom TI7 geleid alwaar het in twee bedden gedroogd wordt met geconcentreerd H₂S04• Dit drogen gebeurt in twee stappen; in de

eerste stap met 74% H₂S04 en in de tweede stap met 98% H2S04• Om voldoende

vloeistotbelasting te behouden, wordt er om ieder bed heen rondgepompt. Een demister bovenin de kolom voorkomt dat er vloeistof wordt meegevoerd.

Door middel van compressoren CI6 en C21 wordt de druk van het gas opgevoerd naar 25 bar. Om temperaturen van boven de 200°C te voorkomen wordt er tussen de twee compressoren gekoeld. Het gecomprimeerde gas wordt kolom T24 ingeleid om het chloor af te scheiden. Door koeling bovenin de kolom wordt het inert en de overmaat zuurstof gescheiden van het chloor. De koeling geschied met Freon-I2. De warmte wordt afgevoerd via een koelinstallatie (C30, H28, E25 en M29). Het vloeibare chloor stroomt door de pakking omlaag. In reboiler H22 wordt de vloeistof verdampt. Deze warmte wordt geleverd door stroom 29. Het gas bovenuit kolom T24 met de overmaat zuurstof wordt geëxpandeerd in turbine E23. Na opwarming door stroom 9 wordt deze terug naar de reactor gevoerd. Om inert-ophoping te voorkomen wordt er gespuid. Deze spui bevat nog ca. 10 wt% C1_2• Dit wordt geneutraliseerd met natronloog in vat M26.

•

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

_ __ _ _ _ _ _ _ _ ___ _ _ _ _ __ M _ _ FVO-2922 6.2 Flexibiliteit

De flexibiliteit wordt in de eerste plaats begrensd door de afmetingen van de apparatuur. Om de reactor R3 in getluïdiseerde toestand te houden mag het debiet van stroom 6 slechts binnen een kleine marge fluctueren. Na verloop van tijd zal de katalysator-activiteit afnemen. Omdat het debiet van stroom 6 vastli~ kan de stroom opgewarmd worden met warmtewisselaar H2. Hierdoor blijft het mogelijk om de gewenste conversie te behalen. De flexibiliteit van het gehele proces wordt bepaald door de reactor. Wel dient er rekening gehouden te worden met het feit dat warmtewisselaars H8 en H22 gekoppeld zijn. Dit verlaagt de flexibiliteit. Om eventuele schommelingen in stroom 29 te ondervangen, kan het nodig zijn om een extra verdamper aan te brengen voor het recirculeren van het bodemprodukt van T24.

Inbedrijfstelling

De reactor R3 werkt adiabatisch waardoor de reactie pas verloopt als er voldoende reactiewarmte vrijkomt. Bij het opstarten van het proces moet deze warmte aan stroom 6 geleverd worden door H2.

Het opstarten van de kolom T6 geschiedt door te wassen met water. De zoutzuur oplossing uit kolom T6 wordt pas naar TI3 gevoerd voor destillatie als de concentratie boven de 20 wt% is.

Bij het opstarten van TI3, TI7 en T24 worden geen bijzondere problemen verwacht.

•

•

•

•

I

•

•

I

I

•

•

'

.

•

FVQ.2922

7.

PROCES CONDITIES

7.1 De Thermodynamica van het Deaconproces De Deacon-reactie was al gegeven in vgl.(2):

MI = -28.1 kJ/mol HO

(2)

De thermodynamica van deze evenwichtsreactie is grondig onderzocht door Arnold en Kobe (1952). Zij vonden de volgende relatie voor de evenwichtsconstante, K, en de absolute temperatuur, T:

logK

=

6104.4 - 7.0994

T

(3)

Uit deze vergelijking volgt dat hoge conversies worden bereikt bij lage temperaturen. De conversies bij verschillende verhoudingen van HCI en Oz in de voeding als functie van de temperatuur staan in fig.2&. Uit fig.2b

blijkt het effect van drukverhoging op de conversie. Werken onder een verhoogde druk heeft een gunstig effect op de conversie en bovendien kunnen hierdoor de afmetingen van de apparatuur kleiner worden. Het gebruik van zuurstof in plaats van lucht heeft ook een gunstig effect op de conversie, zie fig.2c•

7.2 De Kinetiek van het MT-Chlor Proces

Voor het reactiemechanisme van de oxydatie van HCI aan het oppervlak van de Cr_Z0₃

katalysator wordt door Kiyoura et al. (1991):

CrZ03 + 1h Oz

'*

CrZ03 { )

CrZ03 { ) + 2 HCI -t CrZ03 + Clz + HzO

Volgens Kyoura et al. kan er beneden de lOO°C nog een tweede mechanisme optreden:

CrZ03 + 6 HCI 2 CrCl3 + 11h Oz 6 HCI + l1h Oz

'*

2 CrCl3

+

3 HzO

'*

CrZ03

+

3 Clz

(4)

(5)

(6)

(7)

Dit mechanisme is verantwoordelijk voor het vervluchtigen van de katalysator in de vorm van CrC13• Om de levensduur van de katalysator te bevorderen, dient er met een overmaat

zuurstof gewerkt te worden zodat het eventueel gevormde CrCl₃ direct weer wordt omgezet in CrZ03 volgens reactie (7).

•

•

•

•

•

I

.

t

•

•

•

•

FVC>-2922

De reactiesnelheid neemt toe bij toenemende temperatuur. Er is geen literatuur gevonden die de kinetiek kwantitatief beschrijft. Wel is het duidelijk dat de thermodynamica en de kinetiek tegenstrijdige eisen stellen aan de reactietemperatuur. Volgens MT-Chlor Patenten ligt het optimum bij een temperatuur van 400°C.

•

•

•

•

•

•

•

I

'

.

•

•

•

•

FVO-2922

8.

APPARATUURKEUZE

8.1 De Fluïde Bed Reactor R3

Er is gekozen voor een fluïde bed reactor omdat de katalysator gevoelig is voor te hoge temperaturen. Wanneer de temperatuur hoger dan ca. 500°C wordt zal het chroom in de katalysator uit de reactor verdwijnen in de vorm van oxyden en chloriden. Ook kan er bij temperaturen over de 500°C sintering van de katalysator plaatsvinden met als gevolg afname van de activiteit. In een fluïde bed reactor is de warmte-overdracht zeer goed zodat de reactiewarmte goed verspreid wordt en er geen 'hot spots' optreden.

De levensduur van de katalysator wordt verlengd indien er een overmaat zuurstof aanwezig is. Er moet een compromis gevonden worden tussen het voordeel van de overmaat en de toenemende scheidingskosten verderop in het proces. Dit optimum ligt bij een overmaat van 20 mol % van de stoechiometrische verhouding.

De katalysator heeft een goede slijtvastheid [MT-Chlor patenten 1987b&c]. Dit stelt echter wel eisen aan de hardheid van de reactorwand.

De gebruikte chroomkatalysator is gevoelïg voor verontreInIgmg met ijzer. Het reactormateriaal mag daarom niet meer dan 1 gew% ijzer bevatten. Om deze redenen zijn roestvrij staal en nikkellegeringen als Hastelloy-B of -C ongeschikt voor de constructie van de reactor. De reactor kan gemaakt worden van nikkel of titanium. Vanwege de hogere hardheid verdient, met het oog op attritie, titanium de voorkeur. Ook kan gekozen worden voor bekleding met keramische materialen. In [MT -Chlor patent 1988a] worden met dit laatste goede resultaten in experimenten op kleine schaal behaald. Het is niet bekend of deze bevindingen ook zijn toegepast in de commerciële reactor. [MT-Chlor patent 1988a]. Om de reactor zo klein mogelijk te houden, wordt er gewerkt met zuivere zuurstof in plaats van lucht en bij een druk van 5 bar.

Om vorming van grote gasbellen in het katalysatorbed tegen te gaan kunnen keerschotten in de reactor worden geplaatst. Experimenten [MT-Chlor patent 1989, Kai et al. 1988] hebben aangetoond dat dit de conversie ten goede komt. Dit betekent echter wel dat er een groter contactoppervlak van de katalysator met het metaal ontstaat, hetgeen niet bevorderlijk is voor de levensduur van de katalysator.

De dimensionering van de reactor R3 is uitgewerkt in bijlage C.

Cycloon M4

Bovenop de reactor zijn drie cyclonen parallel geplaatst. Hoewel de freeboard de kleinste katalysatordeeltjes met een diameter van 40 pm behoed voor meesleuring uit de reactor zullen er door afslijting kleinere deeltjes ontstaan die moeten worden weggevangen. De 15

•

•

•

•

•

'

.

•

I

•

I I

I

.

•

•

•

FVO-2922

functie van de cyclonen is deeltjes met een diameter van boven de 10 pm te verwijderen. De dimensionering van de cyclonen M4 is uitgewerkt in bijlage F.

8.3 De HCI-Absorotietoren T6

Een schematische voorstelling van de HO-absorber is weergegeven in fig.3.

Voor de pakking van kolom T6 is gekozen voor 2" keramische Intalox~ zadels. Deze zijn bij de heersende temperaturen bestendig tegen nat Hel-gas en hebben een goede oppervlakte/volume-verhouding. Het aantal theoretische schotels is berekend m.b.v. ChemCAD. De bovenste pakking heeft een theoretisch aantal schotels van 3. Met behulp van de methode van Onda (bijlage B) volgt hieruit een hoogte van 4.5 m en een kolomdiameter van 1.2 m.

De onderste sectie dient voornamelijk om de gasstroom na de reactor te koelen van 400 naar 95°C, waardoor bijna al het water uit de gasstroom condenseert. Hiertoe wordt de HCI-oplossing onder uit de kolom rondgepompt, gekoeld en teruggevoerd in de kolom, boven de onderste pakking. Het op deze wijze condenseren van het water is noodzakelijk omdat de slechte warmte-overdracht tussen gas en vloeistof een groot warmtewisselend oppervlak vereist. In een gebruikelijke pijpencondensor zouden de afmetingen zeer groot worden. De condensatie warmte wordt nu via H7 en HU afgevoerd. Doordat dit overdracht tussen twee vloeistoffen betreft, is de warmte-overdracht veel beter. Op grond van de totaal over te dragen hoeveelheid warmte is 2.5 m pakking nodig.

Het azeotropisch mengsel (20 gew% HCI) onder uit kolom T13 wordt op de bovenste pakking gesproeid. Het HCI wordt hier voor het overgrote deel uit de gasstroom verwijderd.

Om de laatste resten HCI uit de gasstroom te verwijderen is 1 theoretische schotel nodig. De gasstroom wordt met zuiver water gewassen over twee klokjesschotels. De klokjes zijn nodig omdat de vloeistofbelasting te klein is om een pakking of zeefplaten te gebruiken; door de opstaande rand blijft een vloeistofniveau op de schotels gehandhaafd.

Als materiaal word Hastelloy-C gekozen omdat dit bestendig is tegen de zeer corrosieve eigenschappen van HCI en Cl2 in combinatie met water.

8.4 De HCI-destillatietoren Tl3

Kolom Tl3 is gepakt met 6 meter 2" Intalox~ zadels en heeft een diameter van 0.6 m. Deze waarden zijn berekend met de methode van Onda (bijlage B). Voor de berekening van het aantal theoretische schotels is een McCabeffhiele-diagram gemaakt, zie fig.4. Het 16

•

•

•

I

I

.

'

.

•

•

•

aantal theoretische schotels bedraagt 6.

Om de bijproductstroom HCl-oplossing te minimaliseren wordt de 30 gew%

HO-oplossing, afkomstig uit de bodem van T6, gedestilleerd. Het teruggewonnen Ha-gas wordt teruggevoerd in de reactor. Het azeotropisch mengsel uit de bodem wordt na koeling kolom T6 ingevoerd. Om ophoping van water te voorkomen wordt 0.346 kg/s gespuid. Kolom TI3 is uitgevoerd in Hastelloy B. Dit verdient de voorkeur boven Hastelloy C omdat er slechts nat Hel zonder chloor aanwezig is.

8.5 De Droogtoren T17

In deze kolom wordt de waterconcentratie teruggebracht van 3270 ppm naar minder dan 150 ppm met behulp van 96% H₂S04• Het drogen van chloorgas geschied op een zelfde

wijze bij AKZO in de Botlek [Lieshout 1991]. Voor de berekening van kolom T17 is uitgegaan van twee evenwichtstrappen. Met behulp van dampspanningsgegevens (tabel 3) en enthalpie/samenstellings-diagram (fig.5) is de warmte- en massabalans over deze kolom opgesteld om na te gaan of de droging in twee trappen realiseerbaar is.

Kolom T17 bevat twee pakkingen van elk 2 m keramische 2" Intalox® zadels. De diameter is 0.8 m. Bovenin de kolom bevindt zich een demister. De afmetingen zijn berekend met de methode van Onda (bijlage B).

Regeneratie van de H₂S04-stroom is niet lucratief omdat deze stroom slechts 38.16 kg/h

bedraagt. Het zwavelzuur kan, na beluchting om Cl₂ te verwijderen, verkocht worden indien de concentratie ervan niet onder de 75% komt. [Van Lieshout 1991].

Om de vloeistofbelasting te vergroten wordt er om ieder bed zwavelzuur gecirculeerd. Door de absorptiewarmte stijgt de temperatuur van het H₂S04 van 25 naar 40°C.

8.6 De Chloordestillatie Toren T24

Kolom T24 is gepakt met metalen raschig-ringen. Door ChemCAD is een theoretisch aantal schotels berekend van 6.

De kolom dient om het chloor te scheiden van de inerte fractie en de overmaat zuurstof. De zuiverheid van het chloor onderin de kolom bedraagt 99.5%. Bij 25 bar is het kookpunt van chloor 75.9°C. Dit verschilt voldoende van de kookpunten van de overige componenten om de scheiding te kunnen bewerkstelligen. Bovenin de kolom wordt gekoeld tot -26°C om het chloorgas te condenseren. Het gas boven uit de kolom bevat 46 gew% O2 en wordt gerecirculeerd. De koeling geschiedt met freon-12.

•

•

•

•

•

•

!

•

:

.

I

:

J

.

•

•

•

Onderin wordt de vloeistof in thermosyphon-reboiler H22 herverdampt. De kolom is gemaakt van roestvrij staal.

8.7 De Spuigaswasser M26

Om het chloor uit spuistroom 44 te verwijderen, wordt deze stroom door een

natronloogoplossing geleid. Het chloor reageert met NaOH tot natriumhypochloriet volgens:

c~ + 2 NaOH

'*

NaCI

+

HzO

+

NaOCI (8)

Om het chloor om te zetten is 76.07 kg/h NaOH nodig.

8.8 De Koelinstallatie, C30/H28/E25!M29

De koelcyclus staat vermeld in fig.6. Het koelend medium is freon-12 gekozen omdat dit bij de gewenste temperaturen van -31°C en 30°C bij een druk van 0.944 bar verdampt resp. bij 7.45 bar condenseert. In het koelelement dat geplaatst is in toren T24 verdampt het freon volgens route (1) _ (2). De verdampingswarmte wordt ontrokken aan de te koelen gasstroom en bedraagt 1097 kW. Hierna wordt het freon gecomprimeerd in compressor C30 volgens route (2) _ (3). Door de compressie neemt de inwendige energie toe met 329.54 kW. Indien een compressor-rendement van 0.75 wordt aangehouden, betekent dit dat het asvermogen van de compressor 439.39 kW moet bedragen. Het freon heeft na compressie een temperatuur van 30°C. De condensatiewarmte wordt afgestaan aan de omgeving. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren met koeling aan de lucht. De condensatie verloopt volgens route (3) _ (4). De hoeveelheid warmte die wordt overgedragen bedraagt 1126.95 kW. Om de elektriciteitskosten van elektromotor M29 te drukken, wordt een deel van de warmte omgezet in nuttige arbeid in expansieturbine E25 volgens route (4) _ (1). Het rendement van deze turbine is geschat op 75%. Hierdoor ontstaat er 10% damp in de freon-stroom. Het vermogen dat de turbine levert bedraagt 299.59 kW. Het vermogen dat geleverd moet worden door M29 bedraagt dan:

439.39 - 299.54

=

139.85 kW.

8.9 De Thermosyphons H15 en H22

Voor de berekening van de thermosyphon reboilers is gebruik gemaakt van de methode van Frank en Prickett [Coulson en Richardson (1983)]. De berekening staat in bijlage E.

- - ---_ ..

_

... _ - - - -- - -

-•

9.

MASSA- EN WARMTEBALANS

Voor-

Massa -en

IN

_waarts

_Warmtebalans

Retour

UIT

•

_M

Q

M~~

Mt

_M

Q

1<8/5 kW QkW'

QKW'

k~/$

kW

~J244 2tJ5".5"o -I 0

1.2393

684.06 2 !IC!

_PI

-

4-.. O401/·7ä1 ./-6' '1 _.... tJAJ'J';' 2(6.63 '-~ I

•

2.16ó'S- 6 --\ 1S"ó'4.{tJ

---.

7CSJ2.

Ro KT/E/,/ARlfrr r>

•

-

RJ

--

....

2.16'3.; . . 8

_

.. . 2if!3. 62. O.tJ07g -jl6j

'7

.-ft tJ.{)~07

TG

I ;

i

-26'.5"7 0 2.J'ltJ.r

I

-I ; I - 3S/G.3C

/

.

I

I 14 5"-,,'lil

I

1I11 - ó'lé/J7 tJ3 9-3/$"2 /1-- - . - - --63946'4 ~

21. 6-610 0 !tuL Iv. TéR. ~ Ic'OELIJAm. ~ 2I.SC/o 1331-.5l

1.9673 fr __

H7

~90.61

!~';l~'~~

s-.675"2 - 623:l./r

2b.7'7

0 y /(PéLJ.lA7m. 1

2{7/7

SJZS8 3.6398 !Y _ . _---.

:

I

.

_-:1997-00

HIt

~

I

•

" "

I

~ 10 1.9 I _{H- 19} ----_._~--,----

,

-

-

--

---

-I

I

•

:

.

I I

I

.

I

i

i

I

•

'

.

I

!

_i

.

•

•

•

•

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

-.

, ~~D

"

(J ~,~ ~ I\f

I

I

I

I

] ,.~ .tI ~,,"-- . - - -113 3: I.ïC3 y,

·

..:.-rrr

-26"4S:6ó

.

-;.2tJ79 i2of1 - _..

\

-;

..

I

I

--1012.';'6

O.t/tb ftlg.Oef STa bM ~ .!rOOM

HIJ

I

1:-~- - - -/112

·

r~.

.5./"-63 :30 _ -33r+38 k6~ _ft , . - - Kon/.. In<r> 23.1JJ 0 ... 3.j:-r6:~ _"33. -

HI4

-

.zr I040.J7 -"" , I 0/24,) 0 !(Pét./VArE7? 0- K tJéL.41A n:-D

HS- L-,.-1.967..;

-J--U

ggO.l9

----

41 -

-H8

0.902.] 40 5'10.$'7 -.. ; 196'13

"-r

~r-77/) . .29 f1 ~!? fb jg

Ir

_"4, --- - - - .. _- ---" FVO-2922 1.2019 60.5":62 0.3/66 0 3.S-S63 J31..5"~ 23. 6JY _~4-.94 O.HbO -432,JG' I \ I () /14S- 10.42 tJ.Qo2" -408.6'1 ~4 20

•

FV~2922 , \ 40 ~ :r8 1'r7(( /3,

4111'

",4-,

I

I

I

\ \

i

~

•

VlO ~rT

•

1946'6" 40_ . . .-804 ,fó - _. -It \

I

~ OOdJ

-o.S4

"1"1 ~ ;r.r:: ....

o

()Ioó _-072

o

I

\ III

•

6'.37

fféNt;IJ4Rl'1ff 1·9443 2f

J

J

' -gll./I CO/'fPRESSo.

-Ito.s-t

/lCRMOt!icN

•

06

I

'---1944.3 26 _{- - -} -

_

..

•

991. 67 _,....1"- I

1.1.2'17 0 ,l'oECMA,7FR v ktJa Er'1 TER i> f1277 )4,37

/-118

I

'

.

'--~ /. ;;/43 _-Y6 - - - --8Y1_30 _c: OM 'PlléSSo/l - ₁₇

41.74-

VD!"10tfEN . ~

CZ1

•

~ 1.9443 _~l . _ _ _ r~~ 94,). tJ9.

1-45"66

0 46F1!EON-f2 Ei> F1!EON- f2 $7J

7-4.)6'6 IOJloO

-'

124

\

I

\ J'l!()/)CAKT 4'f...

( 01-/8

_Jl14

... 0·902" 42_

~~W

J

L

4S'9.t'J> -40 17 41

41

21 -- - - .-. ---

--•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

.

, 4, (}.!ó'// _{.44 ._ . --} -I()L.II

tJ.O&2

3)00. '10 ~

k3/S

kW

Massa in kg/s

Warmte in kW

FVO-2922

r

r-l-

J~.

i+

Vt~,.,OIj-é~ 61.0/ Jo'

D.3

I

~ INERT SM

~IT

,--L

4;

...

_tJl62J

_;;1

_J1

f12C

(J.()lft ((J.6~ AFtf'ASWAJ ,9 ~ r ' " r -~

Totaal

..

gJoglJ

3fóO]O

~J/S

Hl

Fabrieksvoorontwerp

No:

2922

•

•

Apparaat-stroom _ _{1 2 3 4}

₅

•

Component ~ [kg/sJ M [kg/sJ M [kg/sJ M [kg/sJ M [kg/sJ M Ha

-

1.1612 1.1612

-

1.5931 02 0.3231

-

0.3231 0.3348 0.6579

•

C12

-

-

-

0.0749 0.1264 H20

-

-

-

-

-C02

-

0.0533 0.0533 0.2078 0.2611

•

N2 0.0013 0.0248 0.0261 0.1039 0.1300 H2S04

-

-

-

-

-Totaal: 0.3244 1.2393 1.5637 0.7214 2.7685 Enthalpie: [kW] 205.50 684.06 889.55 408.46 1564.70

•

Apparaat-•

stroom _ 6 7 8 9

10

Component M M M M M

t

[kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ HCI 1.5931 0.4319 0.5033 0.0003 0.0003

•

02 0.6579

-

0.4188 0.4188 0.4188 C12 0.1264 0.0515 1.1860 1.1345 1.1345 H20

-

-

0.2693 0.0227 0.0227 C02 0.2611

-

0.2611 0.2610 0.2610

•

N2 0.1300

-

0.1300 0.1300 0.1300 H2S04

_-

_-

- -

-•

Totaal: 2.7685 0.4834 2.7685 1.9673 1.9673 Enthalpie: [kW] 1564.70 266.68 2333.62 880.19 890.61

•

₂₃

•

•

Apparaat-stroom _ ₁₁

12

13

14

15

Component M M M M M

•

l

[kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ HCl 2.7635 0.0003 0.5769 1.6837 0.0003 02 0.0007

-

0.0002 0.0004 0.4188

•

Cl2 0.1318 -

-

0.0803 1.1345 H20 6.4150 0.0282 2.2318 3.9084 0.0227 C02 0.0040

-

0.0014 0.0024 0.2610 N2

-

-

_-

-

0.1300

•

H2S04

-

-

-

-

-Totaal: 9.3150 0.0285 2.8103 5.6752 1.9673 Enthalpie: [kW] -8894.64 -36.26 -3516.36 -6785.03 778.29

•

Apparaat-•

stroom _ 16 17 18 19 20 Component M M M M M

l

[kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ [kg/sJ HCI 0.0003

-

1.6837 1.0798

<5

ppb 02

-

-

0.0004 0.0003 0.4188 Cl2

_-

_-

0.8030 0.0515 1.1345 H20 0.0204 0.0078 3.9084 2.5066 0.0023 C02 -

-

0.0024 0.0016 0.2610

•

N2

-

-

_-

_-

0.1300 H2S04

-

_-

_-

_-

-•

Totaal: 0.0207 0.0078 5.6752 3.6398 1.9466 Enthalpie: [kW] -26.57 -9.69 -6232.15 -3997.00 804.86

•

₂₄

•

I

.

FVO-2922

•

Apparaat-stroom _ 21 22 23 24 25 Component M M M M M

•

l

[kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj HCl 0.8958 0.6479 0.2479 0.2479 0.0710 02 0.0003 0.0002 0.0001 0.0001

-,

.

Cl2

-

-

- - -H20 3.4659 2.5066 0.9593 0.9593 0.2748 C02 0.0022 0.0016 0.0006

-

0.0002 N2

-

-

- 0.0006

-•

H2S04

-

-

-

-

-Totaal: 4.3642 3.1563 1.2079 1.2079 0.3460 Enthalpie: [kW] -3658.06 -3949.32 605.62 -1012.46 -432.96

•

Apparaat-•

stroom _ 26 27 28 29 30 Component M M M M M

l

[kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj HCI

-

-

_-

0.6479 0.6479

•

02 0.4188 0.4188 - 0.0002 0.0002 Cl2 1.1345 1.1345 -

-

-H20

_-

<150 ppm 0.0720 2.5066 2.5066 C02 0.2610 0.2610

_-

0.0016 0.0016

•

N2 0.1300 0.1300

-

-

-H2S04

-

-

0.2163 -

-•

Totaal: 1.9443 1.9443 0.2883 3.1563 3.1563 Enthalpie: [kW] 991.67 811.11 -46.78 -2645.60 -3354.38

'

.

25

•

•

FVO-2922

•

Apparaat-stroom _ _{31 32 33 34 3S} Component M M M M M

•

L

[kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj

Ha

-

-

-

-

-02

-

-

-

-

-•

Cl2

-

-

-

-

-H20 0.0169 0.0166 0.0694 0.0003 0.0026 C02

-

-

-

-

-N2

_-

_-

_-

-

-•

H2S04 0.2691 0.2611 0.2083 0.0080 0.0080 Totaal: 0.2860 0.2777 0.2777 0.0083 0.0106

I

Enthalpie: [kW]

I

-28.94

I

-29.78

I

-45.06

I

-0.84

I

-0.72

I

•

Apparaat-stroom _ _{36 37 38 39} 40 Component M M M M M

L

[kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj Hel -

-

-

-

-02 0.4188 0.4188

-

-

0.4188

•

C12 l.1345 l.1345 3.5527 3.5527 0.0937 H20

_-

_-

- -

-•

C02 0.2610 0.2610 0.0036 0.0036 0.2600 N2 0.1300 0.1300 -

-

0.1300 H2S04

-

_-

_-

-

-•

Totaal: l.9443 l.9443 3.5563 3.5563 0.9025 Enthalpie: [kW] 897.30 945.04 1040.37 331.59 510.57

•

26

•

- - -- - -- -

-•

FV~2922

•

Apparaat-stroom _

₄₁

₄₂

₄₃

₄₄

₄₅

Component M M M M M

•

~ [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj HCl

-

-

-

-

-02 0.4188 0.4188

-

0.084

-•

Cl2 0.0937 0.0937 4.5935 0.0188 -H20

-

-

-

-

-C02 0.2600 0.2600 0.0046 0.0522

-N2 0.1300 0.1300 - 0.0261

-•

_Freon-l2

_-

_-

_-

_-

_7.4566 Totaal: 0.9025 0.9025 4.5981 0.1811 7.4566 Enthalpie: [kW] 408.67 459.68 428.73 102.11 486.04

•

Apparaat-•

stroom _

₄₆

₄₇

₄₈

₄₉

₅₀ Component M M M M M ~ [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj [kg/sj HCl

-

<0.1 ppb

-

-

-•

02

-

<0.1 ppm 0.084

-

-C12

-

1.0408

-

-

-H20

-

<150 ppm

-

-

-C02 - 0.0010 0.0522

-

-•

N2 - <20 ppb 0.0261

-

-Freon-l2 7.4566

-

-

7.4566 7.4566

•

Totaal: 7.4566 1.0418 0.1623 7.4566 7.4566 Enthalpie: [kW] 186.45 97.14 91.51 1612.99 1283.45

•

₂₇

•

•

FVO-2922

•

10. OVERZICHT SPECIFICATIE APPARATUUR

•

10.1 Apparatenlijst voor Diversen

•

APPA· R3 T6 T13 T17

RAAT NO.

Benaming Reactor HCI-Stripper HCI-Destillatie Droger

•

Gepakte Gepakte

Type Fluïde Bed Kolom Kolom Gepakte

Kolom Abs. Druk 5 5 5 5

•

[bar} Temp lOC) 408.7 Top

.

.

110.3 60 20.4 Bodem: 25 153 40 V [m3} 5.44 12.2 2.3 3.52 D [m} 2.05 l.2 0.6 0.8 H [m} 4 10.75 8 7

Vulling kat.: keramische keramische keramische

aantal 7056 kg Intalox® Intalox® Intalox®

•

~=70 pm zadels zadels zadels

Materiaal titanium-staal Hastelloy Hastelloy Hastelloy D

C B

•

# serie 1 1 I 1

•

•

₂₈

•

FVO-2922

•

•

APPA- T24 RAAT NO. Benaming C~-Destillatie

•

Gepakte Kolom Type Abs. Druk 25 [bar]

•

Temp [OC] Top

.

.

-70.36 Bodem: 25 V [mJ_{] 12}

•

D [m] 1.60 H [m] 6 Vulling metalen aantal Intalox® zadels

•

Materiaal koolstofstaal met

31h% Ni (A 203) # serie 1

•

•

•

•

₂₉

•

•

FVO-2922

•

10.2 Apparatenlijst voor wanntewisselaars.

•

APPARAAT

HS

H7 H8 H11

NO.

Benaming gaskoeler HCI-opl.koeler warmtewis- rondpomp-seiaar koeling

:

I

.

Medium

- pijpen koelwater HCI-opl. HCl/CI2-gas HCI-opl.

•

- mantel HCl/CI₂-gas koelwater Oiinen -recycle koelwater

Q [kW] 10.419 1334.51 101.9 552.88 A [m2 ] 3.916 62.95 76.13 73.70

•

Abs. druk i/u [bar] - pijpen 3/3 5/4.93 4.8/4.8 5/5 - mantel 5/4.8 3/3 5/4.93 3/3 Tin/uit [OC] pijpz. 20/40 110.3/60 55.8/15 60/25 mantelz. 60/55.8 25/40 -70.4/25 20/25

Materiaal Hastelloy Hastelloy Hastelloy Hastelloy

•

C C C C

:

.

•

•

30

I

•

FV().2922

APPARAAT

H14

HlS

H18

H22

NO.

•

Benaming

HCI-azeo.

HCI-azeo.

tussen-

Cl1-reboiler

troop-koeling

troop-

koeier

reboiler

•

Medium

- pijpen

HCI-opl. HCI-opl. koelwater HCI-opl.

- mantel

koelwater MP-Stoom stroom 26 Cl2

Q

[kW]

594.94 1618.08 94.367 708.78 A [m2] 99.93 29.9 18.586 26.7

Abs. druk

i/u

[bar]

•

- pijpen

5/5

10/10

3/3

5/5

- mantel

3/2.85

5/5 17/16.8

25/25

Tin/uit

lOC]

pijpz.

84.3/25 220/180 20/35 153/84.3

mantelz.

20/26 153/153 161/35

75.9n5.9

Materiaal

Hastelloy Hastelloy C-staal C-staaV

C C Hast.C

•

•

•

₃₁

•

FVO-2C)22

•

10.3 Apparatenliist voor pompen. blowers en compressoren.

•

APPARAAT

PI

P9 P12 C16

NO.

•

Benaming voeding zoutzuur- zoutzuur- C12-com-pressor

pomp pomp I

Type blower centrifugaal centrifugaal zuiger

Medium HCV02 zoutzuur- zoutzuur- CIJ02

•

oplossing oplossing Capaciteit 2.7685 9.3152 2.8103 1.9443 [kg/sj Dichtheid 4.6 1150 1100 10.07 (in)

•

[kg/m3J 23.09 (uit) Zuigdruk 5 5 5 5 Persdruk 5.25 5.9 6 17 [barJ

•

Tin/uit 30.4/30.4 60/60 25/25 20.4/161 COC]

P

[kW] - theorie 15 0.73 0.26 181 • praktijk 20 0.97 0.35 241

•

Aantal 1 1 1 1

Materiaal Hastelloy Hastelloy Hastelloy C-staal

C C C

•

•

•

₃₂

fV()'2922

•

APPARAAT P19 P20 C21 E23

NO.

Benaming H2S04-pomp H2S04-pomp C12-com- expansieturbine

centrifugaal centrifugaal pressorII turbine

Type zuiger

Medium 96% H2S04 75% H2S04 C12/02 02/C021N2

Capaciteit 0.2777 0.2777 1.9443 0.9025

[kg/sj

Dichtheid 1830 1640 37.20 (in) 47.43 (in)

[kg/m3 ] 47.87(uit) 1O.58(uit) Zuigdruk 5 5 17 25 Persdruk 5.36 5.32 25 5 [bar] Tin/uit 25/25 40/40 35n7.3 -26/-70 [OC] P [kW] - theorie 0.005 0.005 47.74 -51.01

•

- praktijk 0.007 0.007 63.65 -38.26 Aantal 1 1 1 1

Materiaal Hastelloy Hastelloy C-staal koolstofstaal

D D met 3~% Ni

•

(A 203)

•

•

FVO-2922

•

•

APPARAAT

E2S

C30

NO.

Benaming expansie- freon-com-turbine pressor

Type turbine zuiger

•

Medium freon-12 freon-l2

Capaciteit 7.4566 7.4566 [kg/sj I I

i

.

Dichtheid 5.72 (in) [kg/mJ ] 35.6 (uit) Zuigdruk 7.45 0.944 Persdruk 0.944 7.45 [bar]

•

Tin/uit 30 -31 lOC] -31 30 P [kW] • theorie -399 330

•

• praktijk -299 439 Aantal 1 1

Materiaal C-staal C-staal

•

•

•

•

34

•

•

•

•

•

•

•

I I I

I

.

•

•

•

10.4 Wanntewisselaarspecificatiebladen APPARAATNUMMER: H5 Algemene Eigenschappen Funktie: koeling top stroom T6

Type : koeler

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Capaciteit : 10.42 [kW]

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 3.92 [m2 ]

Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 100 [W/m2_.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 27.14 lOC]

Aantal passages pijpzijde : 4 Aantal passages mantelzijde : 1 Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.98

Gecorrigeerde LMTD : 26.61 lOC] Bedrijfscondities

Mantelzijde

Soort fluïdum stroom 10

Massastroom [kg/sj _1.9673

Gemiddelde Cp [kj/kg.oC] _0.701

Temperatuur IN lOC] ₆₀

Temperatuur UIT lOC] _55.8

Druk IN [bar] ₅

Druk UIT [bar] _4.8

Materiaal: Hastelloy C FVO-2922 Pijpzijde koelwater 0.1245 4.18 20 40 3.0 3.0 Hastelloy C 35

•

FVO-2922

•

•

APPARAATNUMMER: H7

Algemene Eigenschappen Funktie: koeling bodemstroom T6

Type : koeler

•

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Capaciteit : 1334.51 [kW]

•

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 62.95 [ml] Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 450 [W/ml.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 50.62 [OC]

Aantal passages pijpzijde : 4

Aantal passages mantelzijde : 1

•

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.95

Gecorrigeerde LMTD : 47.96 lOC] Bedrijfscondities

•

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum _{koelwater HCl-oplossing}

Massastroom [kg/s] _21.56 9.3152

•

Gemiddelde Cp [kJ/kg.oC] _{4.18 4.2}

Temperatuur IN lOC] _{25 110.3}

Temperatuur UIT lOC] _{40 60}

•

Druk IN [bar] _{3 5}

Druk UIT [bar] _{3 5}

Materiaal: _C-staal Hastelloy C

•

•

₃₆

'

.

•

•

APPARAATNUMMER: H8

Algemene Eigenschappen Funktie: koelen stroom 9 met stroom 41

•

Type : vvarnntevvisselaar

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Capaciteit : 101.9 [kW1

•

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 76.13 [ml1

Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 25 [W/ml.K1

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 53.54 [OC1

•

Aantal passages pijpzijde : 1

Aantal passages mantelzijde : 1

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : nvt

Gecorrigeerde LMTD : 53.54 [OC1

•

Bedrijfscondities Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum _{stroom 41 stroom 9}

Massastroom [kg/s] 0.9025 1.9673

•

_{Gemiddelde Cp [kJ/kg.oC] 1.184 0.7012}

Temperatuur IN lOC] _{-70.4 55.8}

Temperatuur UIT lOC] _{25 15}

•

Druk IN [bar] _{5 5}

Druk UIT [bar] _{5 5}

Materiaal: _C-staal Hastelloy C

•

•

₃₇

I

·

•

•

APPARAA TNUMMER: HII

Algemene Eigenschappen Funktie: koelen rondpomp stroom 18

Type : koeler

•

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Capaciteit : 552.88 [kW]

•

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 73.70 [m1] Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 600 [W/m1.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 15.42 lOC]

Aantal passages pijpzijde : 6 Aantal passages mantelzijde : I

•

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.82

Gecorrigeerde LMTD : 12.69 lOC] Bedrijfscondities

•

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum _koelwater stroom 18

Massastroom [kg/sj _{26.717 5.6752}

•

Gemiddelde Cp [kJ/kg.oC] _{4.184 4.2}

Temperatuur IN lOC] _{20 60}

Temperatuur UIT lOC] _{25 25}

•

Druk IN [bar] _{3 5}

Druk UIT [bar] _{3 5}

Materiaal: _C-staal Hastelloy C

•

•

38

I

.

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

•

•

APPARAATNUMMER: H14

Algemene Eigenschappen Funktie: koelen stroom 30

Type : koeler

Uitvoering : floating head

Positie : horizontaal

Capaciteit : 594.94 [kW]

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 99.93 [ml]

I

•

Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 350 [W/ml.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 21.70 lOC]

•

Aantal passages pijpzijde : 8 Aantal passages mantelzijde : 1 Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.78

Gecorrigeerde LMTD : 17.01 lOC] Bedrijfscondities

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum koelwater stroom 30

I

.

Massastroom [kg/s] _23.699 3.1563

Gemiddelde Cp [kJ/kg.oC] 4.184 4.2

Temperatuur IN lOC] _{20 84.3}

Temperatuur UIT lOC] _{26 25}

,

e

Druk IN [bar] _{3 5}

Druk UIT [bar] _{2.9 5}

Materiaal: _{C-staal Hastelloy C}

•

₃₉

I

_._-

- " . - - - -

-•

FV().2922

•

APPARAATNUMMER: HlS Algemene Eigenschappen Funktie: verdampen stroom 24

Type : reboiler

•

Uitvoering : thermosyphon

Positie : vertikaal

Capaciteit : 1618.08 [kW]

Warmtewisselend oppervlak (berekend)

.

.

29.90 [m2)

•

Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) :1100 [W/m2_.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

i (LMTD) : 47 [OC]

Aantal passages pijpzijde : 1

Aantal passages mantelzijde : 1

I

·

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : nvt

Gecorrigeerde LMTD : 47 [OC]

Bedrijfscondities

•

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum MP stoom stroom 24

Massastroom [kg/sj _{0.8166 1.2079}

•

Gemiddelde Cp [kJ/kgOC] 4.75 nvt

Temperatuur IN [OC] _{220 153}

Temperatuur UIT lOC] _{180 153}

•

Druk IN [bar) _{10 5}

Druk UIT [bar) _{10 5}

Materiaal: _{C-staal Hastelloy C}

•

•

₄₀

•

FVO-2922

•

•

APPARAATNUMMER: H18

Algemene Eigenschappen Funktie: tussenkoeling stroom 26

Type : koeler

•

Uitvoering : haarspeld

Positie : horizontaal

Capaciteit : 94.37 [kW]

•

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 21.89 [m2

]

Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 100 [W/m2.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 52.16 lOC]

Aantal passages pijpzijde : 8

Aantal passages mantelzijde : 1

•

Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : 0.826 Gecorrigeerde LMTD : 43.11 lOC] Bedrijfscondities Mantelzijde Pijpzijde

•

Soort fluïdum stroom 26 koelwater

1.9443 Massastroom [kg/s] 0.179

•

0.73 Gemiddelde Cp [kJ/kgOC] 4.2 161 Temperatuur IN lOC] _{35 20}

Temperatuur UIT lOC] ₃₅

•

17

Druk IN [bar] _{16.8 3}

Druk UIT [bar] ₃

C-staal

Materiaal: C-staal

•

•

FVO-2922

•

•

APPARAA TNUMMER: H22

Algemene Eigenschappen Funktie: verdampen stroom 39

Type : reboiler

•

Uitvoering : thermosyphon

Positie : venikaal

Capaciteit : 708.78 [kW]

•

Warmtewisselend oppervlak (berekend) : 26.71 rml] Overall warmte-overdrachtscoëfficiënt

(globaal) : 620.95 [W/ml.K]

Logaritmisch temperatuursverschil

(LMTD) : 42.74 lOC]

•

Aantal passages pijpzijde : 1 Aantal passages mantelzijde : 1 Correctiefactor LMTD (min. 0.75) : nvt

Gecorrigeerde LMTD : 42.74 lOC] Bedrijfscondities

•

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluïdum _{stroom 39} stroom 29

Massastroom [kg/s] _3.5563 3.1563

•

Gemiddelde Cp [kJ/kgOC] _{1.121 4.2}

Temperatuur IN lOC] _{75.9 153}

Temperatuur UIT lOC] _{75.9 84.3}

•

Druk IN [bar] _{25 5}

Druk UIT [bar] _{25 5}

Materiaal: _C-staal Hastelloy C

•

•

₄₂

•

•

•

•

•

•

•

•

11.

ECONOMISCHE BESCHOUWINGEN

Voor de economische beschouwingen werd uitgegaan van de volgende gegevens: 1 jaar

pnlductiekapacireit(P)

11.1 Investering

= 8()()() uur

= 30 000 ton Cl₂ per jaar

FVO-2922

Voor de bepaling van de investeringskosten ifued capital costs) zijn verschillende

methodes te gebruiken.

11.1.1 De Omzetmethode

Voor een eerste ruwe benadering van de investeringskosten wordt gebruik gemaakt van de omzetmethode. Deze methode is gebaseerd op de gedachre dat er een verband bestaat tussen de omzet en de investering voor een bepaald pnlduct.

V 1

r = - =

-v I r

l

(9)

'v

is de kapitaalomloopsnelheid (de turnover ratio; T.O.R.) en is het aantal malen dat het geïnvesteerde kapitaal per jaar wordt omgezet; een schatting van deze waarde is

'v

= 0.75 [Montfoort 1989]

'1

is de 'capital ratio' , V is de geldomzet per jaar en I de investering.

De omzet bij een produktie van 30 000 tij is 12.6 Mfl. Hierbij is uitgegaan van een chloorprijs van fl. 420.60/ton. Hieruit volgt voor de grootre van het investeringbedrag I

=

16.8 Mfl. Dit bedrag ligt in de zelfde orde van grootte als het door MTC genoemde bedrag van 10.4 M$ [Chemical Week 1987].

11.1.2 Stapmethodes

11.1.2.1 Zevnik -B uchanan Methode

Bij deze methode wordt er van uit gegaan dat de investeringen alleen een functie van de proceskapaciteit en procescomplexiteit zijn.

De complexiteit wordt uitgedrukt in de complexity facto,. Deze is afhankelijk van de