Thermische ontleding van calciumnitraat

1-..

PRO

CES

S C

E

E M

A.

---

-

--

---Onderwerl2. Thermi3c~e Ontleding van Calciumnitraat.

M.

Oversluizent Van Beethcvensingel

95b,

Vlaardingen. r. Januari 1967 .

.

,

, 1 ~. 1

"

,

I ' ;.- ! '. _~ }

, j !

I

I _r

.

f

~ I ~ I _.

.

]

. ~ ... ".,.wss. .

,

I

.

L " ..

~ ~

"

'.

;: .) ~ ~ .. ' .: r

S A MEN V A T TIN G.

De oorspronkelijke opdracht was een reactor te ont

we

rpen voor de

ther-mische

·

ontleding van calciumnitraa

t in een fluId-bed, waarbij de voor

de reactie benodi

gde warmte met behulp van aardgasbranders via een me- .

talen wand a

an

het flu

!

d-bed wordt toegevoerd.

Het voor de warmteoverdracht benodigde oppervlak bleek zeer groot te

zijn, hetgeen tezamen met de zeer hoge kostprijs van het materiaal

(Wimonic of Incoloy) leidde tot e

en duur ontwerp. Bovendien bleek de

constructie van een reactor met een tot gloeihitte opgestookte wand

_,

moeilijkheden op te leveren.

In plaats van de reactor met wandverwarming werd daarom een reactor met

"regenerator" ontworpen, waarbij de benodigde warmte door middel van de

CaO-~eeltjes

wordt overgedragen.

De CaO-deeltjes worden in de regenerator verhit,waarna ze in de reactor

hun warmte weer afstaan, analoog aan het fluidbed-kraken.

Dit ontwerp ia aanzienlijk goedkoper dan dat van de reactor met

wandver-warming.

Voor wat betreft de constructie van de regenerator (flu!d-bed bij 1100

0

C)

is een poging gedaan de problemen van de materiaalkeuze op te lossen,

voornamelijk door gebruikmaking van "vuurvast" beton.

Om te komen tot een re

ë

el ontwerp van de regenerator ia meer

specialis-tische kennis een noodzakelijke voorwaarde.

Tenslotte is getracht het thermisch ontled

en van Calciumnitraat op zijn

economische merites te onderzoeken, hetgeen tot een hoopvolle conclusie

heef! geleid.

!

i

_I

I

i

F

\

\

~

f

I

I

~,

!

I N HOU D SO P G A V E pag.

Lijst van Fysische grootheden - - -

-ëfdst I Belang v~n de Calciumnitraatontleding

11 ~ethoden voor de ontleding van calciumnitraat - - - - 2 111 Beschrijving van het gebeuren in de reactor - - - )

a Reactor met wandverwarming b Reactor met regenerator

'IV

Capaciteit va~ de fabri~kt Grootte van grondstof-en product-stromen. Eenodigde warmte (aardgasverbranding) - - -

3

v

VI

Reactor met wandver~arming -a Warmteoverdracht Wand-Bed

b Reac toron t'"erp

c Opmerkingen betreffende het reactorontwerp d Constructie verstuiving

e Drukval over het bed

Nadelen van de reactor met wandverwarming

-VII

Reactor - Regenerator - Proces -VIII Mechanisme van de ontleding

-IX

Reactor met Regenerator a Warmteoverdracht

b Dimensionering van de reactor c Dimensionering vGn de regenerator d Constructie Reactor en regenerator

X Benodigde apparatuur -a Schroefwarmtewisselaar voor CaO-product

b Cyclonen en Cottrell-apparaten eGascompressoren

XI Kostenraming voor beide ontwerpen -Kruiptabel - - - -Grafiek I (kruip)

-5

1 1

14

14

24

27

30

31

Grafiek 11 (uitblaassnelheid)- - - _{- - - - 32}

Massa- en ïlarrr.tebalalls - - - -

33

-, t

,

.

I

.

I

I

l

_i

! I

..

LIJ S

T

V

A N F

Y

SIS C

HE

G

R

O

OT H EDE N

.

C

PCaO

_ 10,25 kcaljkmol oe •

7

6

7

J/kg oe - - -

(li

t.: 8)

c

. 3 ) ,69 Kcal/krool oe ... 914 J/kg oe - - - (lit.: 8) PCa(N0

3

)2 !eaO - - - - ( l i t . : " ) a2,05kg/m3 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ (lit.:l1) Smpt

CaO

•

2580

°c - - - -

(lit.:11)

- - - - (lit.I") Verbrandingstelllp. CH

4

•

1875

°c - - - -

(lit. :10) - ~ • 33,32 •

° -

635,1 + 936,~

- 368,4

kJ/mol ~

8

6

kcal /mol - - - (lit.:12)

Oplosbaarheid Ca.(N0

I Belang van de calciumnitraat-ontleding.

In de kunstrnestindustrie heeft liet zwa./e16uur-ontsluitingsproces stee'is' .' de boventoon gevoerd. Vanwege de sterk stijgende zw~velprijB moet echter

eerr omzwaaien nadr ontsluiten met 8~1~eterzuur niet uitgesloten geacht word.en.

-Vanwege het feit dat calciumnitr~dt ~eer ~ygrosco~isch is en dus aanlei-jing tot moeilijkheden geeft bij de opslag Vbn de meststoffen zijn er

- 1

-i

f

vijf varianten in het ontsluiten met salpeterzuur

i'j .. ! <. ~

-I

I

I

_I

I' l ----_# /' ,

I

;

-

(

.

'"

d Sa1i-'eterzuur-ontsluiting met cal~iumnitraat als bijproduct{.(.,i!

{, .. '

l

Salpeterzuur-ontsluiting wa~rbij het calcium met behulp van kool-..,.../'~,~ .. ~

zuurgas als carbonaat wordt neergeslagen.

c Gemengde zwavelzuur-salpeterzuur-ontsluiting. Het calcium komt in de calciuIDsulfuutvorm. / d ,-;

-_ tl4. i I ,ir" / ~/; ,.', ,

,1,,1)-Gemengde fosforzuul'-sal~eterzu~r-ont31uiting, waarbij alle calcium in de vorm van CaHPO

4

V

k:rn

t

~:"

(

Ij

~

r ::, ')y"

.,,'')! / /

'I _{0, '} )

e Salpeterzuur-ontsluiting, w,~arbij het calcium met behulp van

'7

I

",

kaliUILsulfaat wordt omgezet, .l,~

:

,'

t-.

De methoden ~

tlm

_-

e doen alle gekunsteld aan in hun po~inge" om het cal-/ ' ... '- . .--'

ciumnitraat kwijt te r~ken. Methode ~ zou verre~eg het prettigst zijn, indien men niet met de bulk calciumnitraat als bijproduct zou zitten. Indien het daarom mogelijk zou zijn het c~lciümnitr~at op economische wijze te ontleden in c~lciumoxide en N0

2, Nctardoor de dure N-component niet in het calciumnitraat "verloren" zou ga::.n, dan zou de salpeterzuur-ontsluiting in a~nzienlijke mate in bel~ng toenemen en zeker een waarjig opvolger worden van de zwavelzuur-ontsl~itingaroute, waarbij de dure grondstof zwavel volleiig in het weinig bruikbare calciumsulfaat terecht

... ' - ' - '. komt.

De calciumnitr~at-ont~eding opent dus, in1i2n econo~isch mogelijk, wijde ~erspectieven op het gebied van de fosfaatontsluiting.

; I

II

Methoden voor de ontleding van calciu~nitrdat.

Oors~ronkelijk is getr~cht het calciumnitraat op een lopende band in een

tunneloven te ontleden. Het calciumnitr~~t werd als oplossing (g

econcen-treerd) op de band gespoten en vervol~ens loor de oven gevoerd.

Het'resul-ta~t bleek te zijn vorming van een laag CaO,

_-

w~arioor de rest van het ---.-'\,. -, ....

Ca(N?j)2 onomgezet O} de band bleef. Om de~e moeilijkheien te vermijden

werd vervolgens gedacht aan ontleiing in een fluId bed van CaO,

waar-door een 2eer fijne verdeling v~n het Ca(N0

3

)2 wordt verkregen, zodat dichtkoeken niet meer mogelijk is. Ook nu versproeiYng van een geconcen-treerde Ca(NO,)2 oplossing in het bed.

Onder~e~p van dit verslag is de ontleding van calciumnitraat in een fluid bed.

De grote moeilijkheid bij de procesvoering is de warmteoverdracht, zoals verderop in dit verslag zal blijken. Deze warmteoverdracht bepaalt daarom het design.

Mogelijkheden voor warmteoverdracht

-2-a W-2-andverw-2-arming.

# _ . , . De reactor wordt uitwendig roet CH,-branders verhit.

'+ b Spiraal verwarming.

t.i~'." r": ;. ,

.-I ;.; ~ ~: "'i .

De reactor worit inwendig verhit met vloeibaar zout of metalen.

JU· ' /

-,. :t.l (.~.~

vloeibare,H,t-·

-c Regeneratormethode.

Het CaO wordt continu gecirculeerd door de reactor en een t'regene-rator" waarin het CaO wordt opgewarmd. CaO is de warmteoverdra~ende

stof. Deze methode is een an~logon v~n Fluid Catalytic Cracking. d Warmtetoevoer in fluriis~tiegs3.

Rookgassen als fluïdum te gebruiken.

De methoden a en c worden in dit verslag verder uitgewerkt, waarbij de vóór- en nadelen tegen elkaar worden afgewogen.

De methoden b en ~ zijn ongeschikt.

Methode b vereist een verwarmingsspiraal in het bed, hetgeen enerzijds, vanwege het grote benodigde oppervlak I he t bed sterk zou,:.~rs tor.en,

anderzijds aanleiding tot aankoeking zou geven doordat het versproeide Ca(N0

3

)2 enige tijd als een laagje vloeistof om de CaO-deeltjes blijft best3.an.

-

,

!t.!.rt/,i-UA.(':

Methode d is ongeschikt omdat de sterk endotherme reactie veel warmte en

i

J

dus zeer veel rookgas vereist, hetwelk niet van de te vormen nitreuzen

te scheiden is, zodat de rookgassen de gehele N0

2-absorptieinstallatie zullen moeten doorlopen. Dit vereist een enorme absorptieinstallatie als-mede hoge compressiekosten (N0₂-absorptie gesctiedt onder druk).

)"

.

-

-/,,/

.. ! _:..:--"I Ê,..eschrijving van het .-:;ebeuren in je reactor .

I

"

,

r

;

;

·f I

I

. i

....

' .i

f

I

I

1-i

f

t

I

(V t' ti 1 { ; jJ z,,\.' ~ .. , ,.. ." Î

,

;:)../: i ~ "

a Redctor :net Hèinü.ver1;a.rn,irlg (fig. , t/ M _ " , .. ,?tt1 1

':,,;

De ontleiin~sreactie is sterk eniotherm. De r~actoT worJt Uit17~Il':l.ig

ge~tookt met aardgas-branders. De warmteoverdrachtsweerstand is ge -legen in de overgi;ing Vb,n w9.r,j nic3r be:!. Het tel vertoont in rajia.le zowel als in axiale richting slechts minieme temper~tuurversc~illen.

De wa.rcteoveriracht van fl~~j~m naar je91tje is Heer gebon1en aan een niet al te grote 0<. Doorj.,j,t echtc!r het ieeltjesoFfervlak zo ;;Toot is,

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

-

-is het toch mogelijk om een grote warmteflux van flu!dum n~ar lee l-tjes te krijgen! De

N~rmte

ov

erl

r

a

c

h

ts-mo

eilijkhej

en

liggen dus in de

overgang Van NBnj n~ar bel! Er is v~nNege de lage ~ een groot offer- ~

vlak :.odis (.,;n de benoiigie .... armte in tie reactor te krijgen. Bet calciumnitr~3t Hordt als 70%-i~e oplossing ~et behulp van sproeiers verstoven in het bed v&n Calclumoxide.

Het gevormde CaO wordt continu, df~etapt. Er NorJt ~eflu!diseer1 met

5C1C-~,;>/v~ '.t."'" i,.;~ . ~~';". N0

2 ,Naardoo_r: een

_-

_- vf'ij-?lsl--+G.0:j-...t.g_ _---..

_{_--}

N02-go.s

_"-,

naar de absorptie ~evoerj,

kan 'Horden. Geen verdun111ng dus Uiet fluïdis..:.tiegassan.

, r L > ,_ , , / ~L J OjtVl-v/.o . ~ Reactor ~et regenerator (fi~.2)

Bet gebeuren in de re~ctor is gelijk a~n dat in de re~ctor met

wand-verwarming. De w:Hmteoverdrachts-moeilijkheJen (-Nand - . bed) zijn tier echter vermeden door de warmte toe te voeren via een continu cir-culerende stroom CaO. Het CaO neemt in de rdgenerator, w~ar het met rookgassen gefluïdiseerd wordt bij 11000C (om CaC0

3

-vorming te

ver-mijden), warmte op en staat deze Wdrmte in de reactor weer af.

Analogon van het Flu!d Cgtalytic Cracking.

De reactor-regeneratorconstructie is j8 z.g.n. Ortho-flow van Kellogg!

IV

Capaciteit van de fabriek. Grootte v~n gron1stof- en productstromen.

Benodibde warmte (ê.arJgasverbr!:miins). Cl. Capaciteit

b Grondstoffen

Producten

3G.OOC ton/ja~r - 100 ton/dag - 1,16 kg/sec Ca(N03)~'

Î ,1~ ~g/3ec Ca(N0

3

)2

)

/

J

7C%-ige oplossing.

O,

jO

kg sec ~~ter , , ~ . , :~ .' r 0,6) ~g/sec ,.;.f ; ,. .. N0₂ ':. , I "'

"

(,.. c ... ...,.

C

,4

C

kg/sec CaO < ' 0,10 kg/sec _0" t1 cc: kg/sec ?

,.,

-.., ".ft .. I ' 0,)0 8toom ~

'"

-r

/

?

(

"'

-3-L

i

!

I

t

r

!

c Hdrmtehoeveelheid:

Aanname : reac tor taD'f-i3 ri tUl~r 6eu o C.

5C.CCC tonjjr • ,~~ ton/d~~ ~ 1,16 ~g/sec.

(-i)

Veric;.JT.fing l1d.ter.

7C~

-

1,16

kg!~e~

---->?

3C~

..

(.'

,

)

"'3/38C (w.:J.ter)

c~'G=- kJ/kè

(ii)

OpRarming stoo:lI vél.n 12CoC tot 6CCo c .

-C

1/3

0 1

,4

kJ/kgOC

stoom k(:al/ r: Z C '"

P

~Vf

..

0,5

.

1

,4

.

480

_•

336

kW

.u'"

(iii) Op-Rarming

_Ca(N0

3

)2

van l~Co tot

·r

)D 1

°

C

--l-, • t

t

I

t

!

,

t

!

,/ f. C

Ca(NO~)2 '"

0.5i14

kJ/kgOC P r, (iv)

(v)

(vi) {2$w

..

1,

1 •

0,;114

.

441

.,

47C

_...

kW Smelten

Ca(N0

3

)2

bij j610C

.6

H_sme 1 ten

..

13C kJ/kg

~Vf

= 1 , 1

6

1 )0

...

_ _ 150 c kW Opwarming

Ca(N03)~-smelt

van

561

0 Te verwaarlo~en (C onbeken1) p Ontlejing

p..

""

1,16 Vf Ca(N0

3

)2 bij 600°C • 6 ti =

1,16 .

23(0

-r ₆₀₀"

Tota~l toe te voeren warmte

476L

KW.

Rendement

70%.

(30~stralingsverlies)

~ ,7~ / J: f~ "'-(Ci..· ' ... .-J C. '. ~ Benodigde hoav~elheid aardgas:

~.

,

2670 kW

=IC ... _ (6H uit lito

,»

r .. I ;.1 '.. ~ _;.

~Vf

te

~Mol

CH

4

6H

IJ H is vrijkomende warmte rer mol CH

4

CH 4 +

A

C2

tlH~9é

•

L1Hi

9U

cO 2 ~ CC 2 + + 2

.6H;9

8 h 20 -1 ~ 1

,76

kcal/n:ol ~

'/

_.

- -. --... (Rossini) ! I. IJ ), ... ! I l '

\

i dlAns Lax, Td$chenbuch fUr Chemiker und Physiker geaft voor de ver- I

b _ran j _lngs1l'. _arm t _{e Vé:in} C _n,

~

_:

_-c:

. 1 ' l _L,7 ( _{, ) ;(ca} 1 _/~o / 1 _• , ' ,r, ' ,.

~

'.

".

>, ;

-.

~

,.,

,

:,

'~~'-

'

/

' _'_ > ' '. ;. ', . " ' :"I/~'

-=-

,

.

..

.

.

, .

.

•

/

. t / ,~.(' e~'-- .... { . t '. • . ' ' .

Reke'1en \ve !Lat een n( .. 10)-vo\lii&8 overmaat llJc:-.t, dan wordt: /

1\ u a ("f l' I-< \... .. 4 .. L

1

<!co .( ~OO '1 {'CO 11 (0,° 11 ·Co

\

Ü\ -

"C~4

'1'

'lucht - ··C0

2 - <··ü2C - ""lucht

- Vrijkomenje W:irmte fer mol CH 4

t i f

~.

I

~

î

.

.

~

' t i d V 1 b t _ 11

~

~

2:J 8 ~l S us: oe are 'NJ.r:r. e - Ll ü R T

- Je

_{2')6 F}

H

11

OC - (n lt;cht dT pr01ucten. 4R - 1::;1,76.10' ~H2ge

- c

.1 1 CC -

2

C

.11üC

-

lC.C

.11CO

R

Peo

2 ~H 2 0 Pluctt

_

191,76.10

3 -

9.7

7

0

-

l7.

G

CO

- 77.000

OE b7,) kcö.l/mol. C _{x u}~ _,2) - _Cci 1_, /

°

_{C gr -}

7

_, C _ca 1 _/ ,0 _{C mo} 1 Plucht L1 H z b7,:) kcal/mul .. 366 kJ /rr:ol •

• rJ

.

..

680(; KW = 36b

-0

1 N ma

CH.

6&CO 'I ~ 1 a ~ a

1ü,5

mOl/sec.

mo

CH .Jb

4

Bij 1 atill is 1 mol a 22,4 ltr.

~

- 1b,)

~2,4.

10-

3

m

3

/sec -

0,4

V CH

4

V

Reactor met wan1verwarmin~.

20 nEl _ucht)' _.,

r,

Het grote froblaem v~n dit ontwerf is je w~rmteoverdr~cht van wanl naar

bei. Deze ~~rmteoverdrac~t bera~lt le df~etingen van de reactcr(en).

a W~rrr.tBoverdracht W~nd - Eed.

Er bestaan momenteel vele ~u-Re-correlaties voor de war~teoverjracht van 'Nar.d nac..r bed. Het IT!ec~l<lnL:;c;e va.T! d~ w8.rrr.teoverJrac~!t is nog niet geheel opgeheller1, doch Je nieu~ste t~eorie stelt ~dt ie ~~rmte voornamelijk

dour de vaste t3tof oVdr,seirde;en ·liorlt. De bijira.;e V::1r. liet g..iS .'1an ~:et

warmtetransport i3 ~erin~.

De deeltjes worlen naar ie ~~nl ietr~~sportaerd, verblijven enige tijd

in de gren91~ag U..in de ~~nd. w~~r Z~ w~rcte opnamen, vervolgens worden ze weer terug~evoerl i~ de bulk, ~a~r ~e via ~et gas ~un w~rmte aan het

r ' .

j

1 - !

1

I i • f I· ~

f

f-i

I

r

!

t

1 I

!

I

!

.

I

!

~

.

i

t

f

gehele bed afstadn (lit.:2)

Voor de diverse forlI:ules .tijn je ex -Na.urd.'~n oerel<.end reet de volgende ge

-gevens:

D '" )UC)J.

P

V

rIJf .. 10 cm/sec (li t.: 1)

V

_f .. 0,5 m/sec

(;.V

mf)

~(

N02

,600oC)

g

3 .

2,0) •

0,68 kg/Jj3

(f

/ V

2. )

T

₁

Y

(~o

L '

600

0

C)

=

2, 3

.

1, j • 1

0-

5

=

3,:>

•

1

0

-

)

N

sec

/

ID ;2

('7

/ V

T 4

)

- . 2

; J3COoC :s 1,5 • 1 0

~

Nsec/rn is je gerr:icidelde waarde voor

gassen)

-2 /

°

0,C2 ..

3,4

.

10 .71 c: C

O,C~ W/moC is je gemiJdelie ~aarje voor gassen.

N.B. Er i3 ean fout ~ogelijk in ~ van 55~ e~ in ~ van 25~ wegens het feit,

d~t het gemiddelde voor gassen geno~en ~erd. Bovendien is de

deel-tjesgrootte niet uniform, zodat een mogelij~e fcut in ~ van 100% niet

':ienkbeeldig is.

~-waarden berekend met diverse formules.

Î Leva

2 Leva &: Wen

1

Levens}iel

&

w~tson

i

Do"

&:

Jacob

~

Bartholomew

&

K~tz

i

Michley

&

Trilling

Nu ..

0,5

Re

C

f..

D 1 , 5

ge,:;,

0,' 4 6 ( s s ) Nu :a C, 1 . À cx=('100 W/m2o

c

Re;;

)°,36

R berel<.end 0< ..

':::bO

W/m 2

Oc

,

~ nomogra;r: 0<. ₃₂₀ ',V/m"oC St ..

0,6

Re

-

C

,7

ex ..

₄₄

1i/m

2

Oc

°

.

-'-

(12)°,6 5

.. ,J)

H

•

₍

( l-é) C

_s

_s

₎

_O

_,25(Dvt)O,6

é . Gfif

'1g

0<. 10,4

w/rr.

2

oc

0<. 184 W/m20C 2

-3

1,S6u + ln(Re. Ar - O,v12C) St s;

~

0,42 - 0,227 Pr • Ar 3 P"(l t.) (l,~62 7,17. 10-

(J:'

- :

v:f

)

d) 0( .. 0<:: 2

I

Garr.son St.Pr) • 2,(.'. Re -C,69 •

-6-i

I

t

t

t f ~

l

\ i

!

!

r

.

!

~

! f

I

! I

r

I

L.· .'

()(-waard~n

100

Nu- ;;ai.1rden 1 , ,17

260 3,b(;

3LO

()(g~:r.

'"

,67

4,70

44

c,65

10,4 C, 1

5

184

2,70

12, ) C, H~

'237

),50

Formuler ui t

G.

Ain~~tein c.s. Int. Ch~m. En~.

f,67-73,(1

9

65)

é,.

0,6

gekozen (heeft weinig invloed).

Volgens je moderne t~,\jorie is ex ir. bel:l.ngrijke cHite él.fhlinkelijk v~n

P en C • De forz::ules,.L1'irÜl leze grootbdeh niet voorkomerl, <:ijn

Js p

ius eigeHlijk slechts toefasb~dr voor le 9tof ~darvoor ze zijn opge-s te IJ,

Slechts vgl 2 en

4

bev~tten deze grootheden.

De ~-~aarden d~drvan (~6G en

10,4)

omvatten de ge~ele range vlin

getal-len en geven dus 3een o~lossing.

/ 20

Ujt

experimenten v~n van

Eyl

Nerd voor het Cél.O-bed een ~D2CO ~ m C

berej{,end. Deze w:iarJe lie redeliji<;: overeenko:nt met O(ge:;;. zal in 1i t

versldg aangehouden worjen.

0 ( _'"' -_':''''IY "0

é1r/

_1':".

,

20C ~ lOl UA ,ti T Tt

u

•

0<. wand-bo:j l,//e "'" / // ( , /,1 /ftUJ: '" f,

0< is onbekel:d, doeL 'lal ongetwijfeL1 tSTOOt zijn ten opzie:-:te

vlam-w~n1 ~

van ex _{Wdn -.eu} .:l h

,I'

even;;ils (-) _{1 wani'}

+-I,'-j ' De be1ternl,er3.tuur i::ï 6COoc geko~e!1. De ontleding begint bij j610C en er mo-=t ~en zeker temf:erC1tul~rver'-Jc?;il l ijn tussen het ontleiende

deeltje en het g~s, dat voor de tenojigle warmte ~oet zorgen. De

bej-I

I:

temfer~tu\;r moet echter in verband met de

warmteoverJrachts-moeilijk-I'" ;; ""I

:i

:', '.

heden zo laag mogelijk üjn Ol!! een zo groet I::ogelijke DaT te verkrijgen.

t ~'e : "" J { \ , ' \

r'J

/

!

_i : _7_

I

_!

I

I !

I

I

1

i

t·

f

i

.

t

1

I

I

r. ..• C'. . l'

r /

t

I

I

r

I

_I \ Î j" j

.

\ t-I

i

l

(

De wandtemperatuur moet zo ~oog mogelijk zijn; eveneens voor een grote ~T. De w~nJte~per~tuur is echter 3elimite~ri door materiaalproblemen.

Voor goe.ie ~~rmteov~rdr~cht is een met~len w~ni vereist. Hittebestendige materialen, die tot zeer :lO[$e tSi:J}ier:J.turen (10(:(' - llCCoC) ver:-:it kurlnen worden en bovendien no~ een zeer goede bes te~dig~eij hebbe:l t~gen oxide-·renri milieu (HO,,) bij dia ~loge teI:'f;eratu\.;r, z.ijn de !Letalen Inconel,

.:.

1ncoloy en Nimonic. (~75% Ni en 1)10

Cr)

Deze materi-üen t.ebben echter een srr.elttr'lject vC.n :370-1420oC.

Omiat

le

H~nj met branders gestookt worJt (onreeel~~ti~e temperatuurver-deling) en omdat ~ . . d Hen ~emidde11e waarde is, die plaatselijk

lianl.l-oe'

welllcht sterk z~l ver3c~illen, ~oet de mogelijkheid van plaatselijke oververhitting ~iet uitgesloten geacht worien. Het is daarom niet

var-o

antwoord de wanltemperatuur hoger dan ) 50 C te kiezen.

~T

•

9)0

0 -

600

0 a 3~OoC. eX". 200W/m20C ~~\~­ \

-2

C

e

.

ft>

('

6

j

I

( ~ • 4760 kW .000A . .1T .: 200 • A • 350 vr

A

~

4760.10

3

_

70

~c

70.10

3

Om tot redelijke proporties van ie reuctor te komen worit de diametdr

2,5

m gekozen.

A

;"

70

_•

7TDL

=

7T.2,j • L ---~~~ L • 7(

7,5 • 9

Ir!

Het is dus zaak de ontledin~ in twee re~ctoren uit te voeren. D =

2,5

_

H

'"

4,5

0:.

Over de hoogte van

4,5

m ~oet je re~ctor V00r Je N~r~teoverdracht met

flu!jbed voorzien zijn. De reactor ~elf moet dus hoger worien O~ niveau fluctuaties van het bed op te v~ngen. Hiervoor ~orit een vrije ze~e van

2,5

m hoo.-ste eeKozen.

2 Re":lctoren diameter 2, )ffi

beJho06te

4,50:

retictor~oo~te 7,0~ -8 -

f-t

I

I

J

•

~

?

~

i

_!

Î

I

,

-,

- 1 ! • , f '

,

" I

!

~,

i

I '

!

Jo \, .. 1

..

.I / .'

.L

l· / \ , -.

r

I

~

~

~

f

't', I I, i' I

~

".'

• I ~.

f

Voor de berekening van de ~-wh~rje Nerd ar v~n uitgeg~3n Jat de

flufji-\

3~tiesnellleij ongeveer j ;mdul le miniffi~lli rlurji5~ties~elheid is. Vn;f a 0,1 r:J/S8C voor ht:;ltjes Vt1n 50C,)-4 bij 6CI(,°C (lit: 1 )

Als fluI1isatiesnelheid Rer1 d~arcm C,3C ~/3ec genomen. De~e adnn&me,

die

nodig Ras Ow ~at a~ntal rdactoren an

ie

di~ensie5 te berekenen, is echter onjuist.

In elk van Je re~ctoren ~orjt n~mdlijk een ~oeveel~eij gas ~evormd ( N (;" 0, e n s t 0 0 1I. ) , :ii e i:i a n ~ i e n I ijk i s ten o}.; zie h t e v CL n d e hoe vee I hei j

.:. L

flu!jisutiegas. Voorts Norit ook nog via le no~zles gas ingebl~zen.

Hef

nozzle-gas

is

echter

een

te verwaarlozen hoeveelheid. Baenen

stelt

als eis voor een goede versproeiing : ~ •

500

~

.

v v

gas opl

In elk van beide reactoren ~ordt ~en hoeveelheid Ca(N0

3

)-, 16 L

~ kg/sec -

0,55

kg/sec.

gespoten

7ofo-ige

oplossing jus

~M

, .

\(;2 .

0,58

•

0,6

kg/sec

oplos~nng

ri. 0 b

s.g. -

1,7

dus 'fIV • ~ ltr/sec ~C,5 ltr/sec

. o~lossing ,/

~

-

500 . 0,5

ltr/sec u

250

ltr/sec =

0,25

m

3

/seo v

nozzlegas .

De·hoeveelheid productgds ia veel groter.

0,65

};g/ sec NO~

_•

650

₄₆

_mOl/sec •

₁₄

mOl/sec

t:.

kg/sec 100 triol/sec

0, îO

O

2

..

3T'

rr.ol/sec

..

3

0,50 kg/sec stoom

-

)CO _{; b} mol/sec

..

25 mOl/sec Totual dus

1 mol

(300

o

K)

" 22,4

ltr

mol

(573

0

K)

&

67,2

ltr

45

mol/sec

Dus Productgas hoeveelheid :

45.67,~.10-3

m)/sec u ) m

3

/sec

Per reactor dus:

1,35

1

,50

0,25

l!l3/

sec m

3 /

,

sec 'l: m..l/sec flulJisa tiel3'3S productga.s nozzle-bas • (

.

van

H~t rroductgó.s en :-Jet nozzleg::.s l<orr:9n niet onderuit :ie reactor, iocr.

voegen zich geleidelijk over je beihootte bij tet fluYdisatiegas.

,

.

-

\ ...

t I'

,

i

.

f

'

.

I

l'

~

i·

t ~ I f ~

,

• l

!

f

t

_I

i

i

I

"

I

I

I

... , .... ' I

I

-lU-Onderin :ie ret1ctor is de g'lssnelhei1 dus (',3m/sec terNijl deze sneU.aid toeneemt tot

C

,

~9

m/sea bovenin (l,35 +

1,5

0

+

Ct25

~3!8ec

• . 0,69 m/sec).

4,::>

::r.

Voor ie fluldisätie is ~e~e snel!~eidstoena~e alleszins ~eoorloofd, zoals in

IX

c aangetoond worJt.

Op de berekening van ",heeft ie ver:iubbeliniS van v slechts een beperkte invloed, d00rdat

Re

meest tot mac~ten kleiner ian in de formul~s staat. De berekende ~en d~armede de re~ctor:iimenBionering blijft dus voldoen.

(

.

Een correctie worlt niet toegepast, o~jat uiteindelijk besloten wordt de reactorec met wanjver~arming toch niet toe te passen.

De

regener~tormetho:ie ~ordt vOllejig uitgewerkt.

-

,

~ Uit het ocdersta~nde

'>':'/ riCh ting ondanks het

VOlgt d~t d~ ~engiDg v~~ j~ deeltjes in de

ler.gte-flu~d-bed te wensen overlaat. Hierdoor verblijft een

' Î / ' / / \ " J ! ---.

-deeltje gedurenda tie ontleHngstijd in de 8proeiz~ne van + (,70 ;\ hoogte.

'",,-- / Met één s;:roeier zou d,~ardoor slech ts het oppervlttk van de-z-g-zon-e, de ontledingszöfte. affectief tot je warmteoverdracht bijdragen. De volledige ontledings~armte moet nu ineens Joor het ofFervla~ van ie zone ko~en. De warmte-toevoer schiet tekort, de ~6ne daalt ster~ in te~peratuur ~darjocr

het materiatl.l niet Offi50zet .\'ordt en g<iut koei.:en, doordè1t te lan~e tijd 8=n laagje vloeistof blijft besta~n.

De sproeiers moeten d~è1rom zoddnig over de hoogte worden ver1eelj, dat alle redctorvolume tot ontledingsüöne wordt.

Stel dat de sproeier tot het midden reikt, dar. is de hoogte van de ont-ledingsz6ne Vè1n die s~roeier te berekenen, adn3ezien uit de foto van Haenen blijkt, dat de sfroeihoek + 300 is.

tu 1~o _ 0,27 _ X

<:.. ,/ 1

,25

x.

0,27.1,25

= 0,34 m

Di~te ontlelings~öne in de orde v~n grootte van

2.0

,

54

m •

70

cm \J

L

i

2

Zenz-Oth~er ( blz.~96 graf.~.3) geeft een 2

circul~tiesn21hdij (kg/m sec)

W v::m

5

kg/m~

sec (11b )

ft

2

sec Dit is een varversingssnelheid.

,

Opp • •

4.5

w

dus

4,

j

.

5 •

22,) kg/sec _{,/ ,,/:::.·'1 C.-:I. ~>~.,}

/Û,L 'v ('...'(. t

_

._.

-

... - -' /

t

I

! f t

i

t

~

,

I

i

_l

~ j i

I

~

,

I

!

t

5 i

I

.

1

,

r.

i

1 ! p

t

f

I

_l

t ,

L-Door boven en onJer oPrervlak wordt ververst J~ _{, ;} in totaal

45

k~/sec. De ontleding8~6ne heeft ~en

Bij [ = 0,5 bevat 3 m3\)ej

(f

3.1600 kg • 4800 kg

V er bl ··ft·1J 1J·J · · 1n on tI e~lngs~one , . .

~

4

4t.

.

00 kg:

.

/

.. 1C·'r..

-

sec

) 1:.5 ~ec

dus bijna 2 minuten. De ontle~ingstijd is +

60

sec. De menging is ius

niet van 1ien dard dat ~e ~et éJn sproeierpaar kunnen volstaan.

v

0 û ree n ê) 0 ede ver s t u i v in e; 0 ver het Lel e bed u, 0 e t dus 0 P i e j ere

7

C c IL

hooi te één sproeier gefl~atst worden. Dus

6

sproeiers boven elkaar. Bovendien zijn er

op

~fn omtrek

4

sproeiers ge"snst.

Hetgeen neerKomt op ~4 sproeiers per re~ctor.

e Drukval over het bed.

Er is

4,5

m

bedhocigte.

Bij

een

C-

O,~ is de dichtheid Ydn het bed C,.,.3200. 1600 kg/a,'. De drukval

ov~r h~t

b8d. is het gewicht van reet

2

beJ per moppervlak.

Dus

~p

~

4,5.1600 kg/m2 • 7200

kg/m~

- 0,7

kg/cm2 'J

N.B. C_b . is niet th~oretisc:-! vcol's;.elb6.a.r. Een experimentele bep:iling ea.

·

v

erv:.1n zal d' .. arom noo1z~kelijK zijn.

Wa~r9chijnlijk ia een E-Na~rie Ybn

0

,5

0-0

,70.

Bij

c

.,e,70

is ,je drukv'il

0,43

kg/cme

;:>

l!P bed - 0,43 - C,70 kg/cm

VI

N~jelen van de reactor met w~ndverw~rmin~. ,

De reactoren zijn van zeer forse afmetingen, het~een bij ~et 1ure en

moei-lijk te be~erker. mbteriaal zeer sterk in de kostprijs tot uiting zal

komen. De re~ctoren zijn in veroanl met Je w~rmt~overjracht ~ groter dan de verolijftijd verei::Jt! (zie hoofdstuk

IIlI)

Er is tot oiJ beien geen toe~/j,ssirl~ van metalen in ie procesindustrie bij

deze zeer _{h0 5}9

tem~er~tuur (~50oC).

Bij de processen, die ier;elijke extreme temperlituren vereisen

(kalk-branden

1100

o

C;

cokesfabricuge ~

100CoC)

maakt men gebruik Vbn vuurv~ste

.

-bemetseling. -- - - .. - I ! -I

f

I

I

I

!

I

i

t

f I

,

f

j

I

,

,

>. I

,

I

I

f

t

_t

i

I

t

Vuurv~ste bdmetseling is lang niet goelkoop, van~ege tiet feit, dat onge -veer tNeemaal ~er j~ar ref~r~tiewerkza~mhejen aun de bematseling moeten

Korden verricht t wlt'J.rdoor je f~briak ongeveer

50

d3.gen per j Ó2.3.r lO'Nn ~ad. t. (lit.:

R.s.

Boynton)~

Eet heeft er :lus .dlt! schijn van dat het gebruik van metalen bij ~mpera­

turen van + 10GOoC momenteel practisct. resp. econo~isch niet uitvoerbaar

is.

.

Om iets meer te weten te ko~en over de practische uitvoerbaarheid van een metalen reactorwand bij

950°C

heb ik een ges~rek gehad met I~ de Grouw en de heer Boot van de afdeling Chemische Werktuigen.

,

Resultaat van Je bespreking:

Het is technisch niet onmo~elijk, doch er zitten nogal ~at moeilijkheden aan vast. Ten eerste bestaat de kans op plaatselijke oververhitting van

je wand, waardoor het materiaal plaatselijk zou kunnen smelten. SYR?t. van Inconel, Incoloy en Nimonic 1370-1420 (zie tabel blz. 30) Deze oververhitting kan Let gevolg zijn van onregelmatigheldn in de aarl-gasverbrandingt als ook van het plGatsclijk niet weg kunnen vloeien van de warmte naar het bed. We berekenen namelijk gemiddelde ~'8.

Bovendien is de eis, die aan deze re~terialen gestell moet worden bij deze temperatuur

(950°C),

grote kruipsterkte !

Door kruip neemt een reactor voortdurend in volume toe, doordat de wand toegeeft aan le druk die erop staat.

Werktuigbouwkundige eis : minler dan 1% krUip in 100.000 uur.

Dit betekent dat de reactor 1~ in diameter toeneemt (dus

2,5

cm) in 100.0UO uur (dus 10 jaar)

Deze kruip nu bepaalt de w~nddikte, die nodig is voor aen bepaalde druk-belasting. Uit de krulFtabellen voor de diverse materialen volgt de maximaal toelaatbare materia~lsranning (Cl).

Uit de :;-,aximual toelaatbare rnateriaalsfanning (0-) volgt nu net t ::

;~

de wanddikte (t)

De for:r.u.le t '"

~

gel1 t voor ei-' birmenlruk

bel~ste

cilin::iers.

De lruk in le re~ctor is onierin 1,7 bara (0,7 baro OQ drukval over het

bei te overwinnen) en bovenin 1,O bar~.

De ~ruk neemt dus gelei::ielijk uf met le bedhoodte. Men kan i~~roo onler-3.an rr:et :iikic~. plcut be5ir:Len en r;é1::1r boven toe stoeds iunnere pl.J.d.t 5e

--L:

-N.B. le lrukvul v~n Ct? ~tm kan niet ronl ie gemiddelde ~adrje Van 1 ~t~ gelegJ worien o~Jat dan b0venin een onjerlruk van 0,55 atc zou ontstaan en onderjruk is ~erktuigbouwkunjig gezien mceilijker op te vangen dan overiruk.

I

I

.

I·

r

, I I,

Uit de inlichtingen, Jie door mij zijn inge~onnen bij de fir~a Ger~rd

je Bruyn, betr~ffenje de ~~teriatilkeuze, is ko~en vast te staan, d~t 1e

~eest geschikte m~teri~len Ineenel 60c en Nimonic ~O zijn.

~ruip 1~ in iOC.COC uur tij ~50oC bij een ~~teri~~lsp~nning

23

kg/cm

2

voor Ineonsl

6cc

L

+

50

kg/cm voor Nimonic

90.

De kruipcurven van beide materi~len zijn in gr~fiek

I

opgenomen. De

krollime voor Niruonic

9C

moest ~eäxtrupoleerJ Horden, ~etgeen 1e ~~arie Van

- t:

0

...

50

kg/cm t.vijfelJ.chtig

maakt.

Bij uitvoerin~ van de reactoren in Inconel 60c is onder in de reactor een

ft' :in j J i k te ver e i 3 t van t '" (I.

7

C • ;2 jO,",

l l i

..

),

9

cm.

<! • ~3

46

~

Nemen

we

aen Jrukval ~an v~n

0,43

kg

/

cm

behorende bij een

e.

C,7,

1a

n

word t

c

43

"'-

c

1lb

t . ! . :~ ' '" - , -,,- - 2,35

2 • 't ')

,',

Voo r Nim 0 r. i c S-G bij 6"' '"'

5

(;

kg / c Ir. " , . 0 r J t d ~ ver eis te VI ::mB i k te

h7.

,)5C t . - IC 2.)0 voor

LlP

Ol

0,7

1

,75

cm

==-t 1 cm

De benodigde wanddikte

is

lus zeker 1 cn:. ond.erin je relt~tor. De '/Iï.mddikte

k~n na~r boven toe geleiielijk afnemen tot ~

0,5

cm bovenin. De w~nd mo~t

o

voorts Eet ribben verstevig! worjen. De ribben kOffien eveneens op 1'00 C,

zodat ook hiervoor Ni~onic of Ir.conel ~ebruikt moet Horden.

De

heer Boot ~eenje d~t

een

ge~one constructie Vdn een reactor op poten

niet mogelijk i3, omj~t d~n het eie~n gewicht voor een dr~ks~annir.g in ~et

materi~al zorgt.

De grootte van de~e druksfanning is

7TD. d • L. f . ei

....;.:....=...;...:;...:.=".J.'--"-... '" Lfi!, •

7

,

5

.

84C:C. 10

lT. D • .:1 2

- 630.000 kg/rn •

63

kg/cm~

Deze drukspannin~, die ~dntienlijk io ter: op~ichte van de maxi~~al

toela~t-bare k . - r".l.k I 2 ,

t r e 3 i! a r: n l n 5' cr c 2.,1 g / cm, ;v e rJI" t in feit~ Samen met de sp~nning ten

gevolge van de in'Nendi,~e druk. De co:r.bini::l.tie v~n 'lruk- en treksp~nr,ing is

HerktuigbouNkuniig een teer vervele~i geval. Door de druks!anning krijgt het

cnteri~dl le neiging oe eerler toe te geven ~an Je

trek-sranning, d~i.n ::et lit zou doer. zonder 'lie l r1lKs}:ir.ning.

-13-De ~~na1ikte zou ius ~an~erkelijk groter ~oetan ~orjen voor

een or zichzelf st~~,-ie re~ctor.

Beter N~S lun, aliu3 j~ hder Boot, le reactor e~erzijjs op poten te zetten,

md~r ~nderlijd3 Je re~etor ooveniien u~n rr.etdlen banden o~ te hangen in een

,

.

I

I

!

t,

eigen ge~icht namelijk van een ~ruk3~anning in een trekspanning. De combinatie van twee lcolra~tt o~ elkd~r 3t~~nda trekspannineen i~

:nnmerkelijk gun::Jtizer.

leiig onbekenJ is ~oe :~ corresie ~~l v~rloren. De ~ro9~ectu6 van le firm~

Gerard Je Bruyn geeft voer ~lmonlC en InC0~el ~13 eigensctl~p een goede corrcsiebesteniiiheid ~0t

Ho~ goel je corrosiebestentigheii is ~eu met ~en materia~lmon3ter

ge-!xperimenteerd moetan worjen doer dit =onst2r gedurende lange tijd bloot

11 ~T 0 •• C .. 1 -00(., C

te s te en aan ., 2-nt! --6"a3 D1J.!. \.. •

,

Om al deze reienen, wa~rbij ook de factor van de kostfrijs komt (Nimonic is ongeveer 30 x zo duur als constructiestd.dl en ongeveer' x zo duur als

R.V.S.),

is besloten af te sta~pen van het ontwerp van een reactor met

wand ve r1l'armirqs.

VII

RBactor-Re&enerator-Proc~3.

Er zal nu een reac tor on t'lforr'en 'Norian, waarbij een "regenera tor" gebrui k t wordt om de benodigde warmte toe te voeren.

Alvorens tot het ontwerp van de reactor-regenerator-constructie te komen, is het van oelang ::ie benodigde verblijf tijd te berekenen uit de tijd, die nodig i~ voor je ontleiing. Daarom edrst een hoofdstuk over het mechanisme van de ontleding.

!lli

Mechanisme Vé1.n de ontlejir'Ä'

7

Een70fc-ige Ca(NQ3)2-orlossing wordt versproei:i op een fluï1-bed. van CaG.

De ret1cticsnelheid is zo groot d.at ie omzettingssnelheij gelimiteerd is door de warrr,teoverdracl: t.

We houden tet beeli aan, w~~rin é~n dru~pel é~n ieeltje treft en waarin

druppel en deeltje ev~n groot zijn. D .. )OC~.

Dit beelj ~aat zeker op, want er zijn veel ~eer deeltjes dan druppels, zoda t de kilns da t een deel tj e tweemaaL loor een JrupJ.'el ge troffen 'Nord t zeer gering is. De dru~~el~ro0tte kan ~en zelf in3tellen iocr ::ie keuze van

de nozzle, zodat ook het even gruot zijn V3n iruFfel en deeltje een reäle

"artn.me is. 50,-~ is d~ ~emijJelie ji(.met~r va.n ,w',vel je

jeeltjes-groctte-I

verdeling ~ls de dru~fel-~roctteverJeli~g.

I

I

Aangenu~en i~ voorts, dat de warffite die na~r het l~agje Ca(NO')2 ~orjt

over-t

t

gedragen vrijwel gebeel uit het gas ~f~omstig is. (van Eyll

f, 'He kunnen het fysiscL eS'eoeuren in de volgende f!.lsan onderverdelen:

I

i-I

I

I

,

! I

l

.

I

_I

_.

_,

_.

_kun Zolan~ er nog water in het sproeilddgje om le CaC-kcrrel a~n~ezig is

p •

Je temper~tuur nie ~ toven de 2COvC stij~en ~ru~e bann~~e) . Immer3 o

atE; kook~untsverh~~ing door o~g~loste stof zal de 200 C ~iet te

boven g:iél.n.

~

0plr.:"rmin6

Véo.!

~

~let

jr0ë5e

Ç

'j,

(

N

~

I)

'

van 2(CY tot )61oC.

- - - ) L

l

ê~!!~~~§

van het Ca(H0

5

)i bij j61o: •

.1.

Ontleiing van },et

Ca

(

KC,),.,

tussen )61 en 6c.:CoC.

---

) ~

De warmte zal voornamelijk lour dtr~ling ROrJen overgelraèen. Om deze bewering te sr,aven wordt hieronie~) 0<1" -d • lt ' (de

lfarmteover-voor C0nvectie oL'..!.l. UlT,-u'3e Je

.:iracl!tscoëfficiänt!' bereken-i. Deze olijkt d.usJ.!"tlg klein te zijn, dat de warmteoverdracht luor straling overheerat.

Alvorens we tot de oerekening van ~ kunnen overgaan moeten Re le

gassnel-h~i1 in de reactor vastlegGen. Imwer3 ~ is eer. functie van v •

Om te voorkomen d3t het in ie rdactor

~evorrnde ~rojuctgas

(3mS/sec) een relatief bl te grot~ sne1~eii~toenalli~ ~e9ft, ~~ar~uor de bedstructuur

sterk afhar.ke1ijk 'Rordt V'-j,p de hocgte, 1/orlt de:le glissnelheid gemiddeld

1 m/sec gekozen.

De reactordia~eter *orlt 2,60 m, zoals in hooflstuk IX z~l blijken,

3

m'jsec productgas een snelheiJsvermeerdering van

'·4

2 B

0,57

rr:(2,6C) oplevert.

zo,iat m/sec

Kiezen we derhalve onderin de reactor de gassnelheid 0,72 ~/sec dan zal boyenin een sr.elheid 1,2~ m/sec heersen, zodat v

f gemiddelj 1 ~/sec be-drbag t.

De hier~ij behoren ie 0( ~ordt als volgt berekend

N

_{u .}

0

,v1j) r, ~ (Re)1,~O

(

Kettenrlng, Mar. er

.

i f' le 1d ,~ml, -

'th)

e

ti" .iJ I'

Re Ol- _,J..-_o;..

'l

7

&

3,5.

10 -

5

~sec

/

m~

(gemiddelue voor gassen)

-2

À.

),4.10 W/moC (gemijlelde voor ~dssen)

o

t4

.

1 •

2

•

10-

4

~

O

Re • ..

5,7

3.5 •

10-) ),)

R_.

Nu • 0,01») •

(5,7)1,~O ~

G,C155 •

7,6 •

C,~3

À..

3t4 .

10-2 • 13 • 10-2 ,,q exD D .C,13 .. --- _{) '}

_.

_10-

4

- • .::r;x.'-;:::::''j

₎

' h cO( .. 1,51 •

(5,7)°,7 6

& 1,31 •

),75 ..

4,9

w/m

2 oC (Heertjes, Me Kibbins)

0< gemidjeld

0< flu!duo-deeltje •

7

'N/ m2

0c

1

D~t de str~ling veel bel~ngrijker is d~n

bere~ening yun d en

U

"w

"w

je convectie vol~t ~u uit een

blj een ieeltjestampe~~tuur

)61oC. straling convectie

ri ..

crA

'111( straling ~

.

'Pi _stra l'

_ln

_g

~

.

wconvectie

T ) •

d ~ ~ ~ A (T - T ) 'Rconvectie 0 d

Bij lagere ieeltjestemi,eratuur ~orjt tet temperatuur-verschil tussen

1eeltje en bed grotar en aal de 3tr~ling nog sterker g~an overheersen.

We kunnen dUB de warmteoveriracht jo or convectie zeker verwaarlozen en

de ontledingstijd bepalen als de tiji iie r.odig is om door strdling de

vereiste warmte toe te voeren.

De

berekening heeft niet

de

pretentie een exacte bepaling

te

zijn; doch

zij geeft ~el een juist beeld van de orde van grootte van de benodigde

verblijf tijd.

De verdamping «orlt ~angenomen dIs te geschie1en bij const3nte temp.

(noodzakelijke siIDflificatie, iie bovendien niet ~o erg onjuist is,

omdat het e~n kookver~c~ijn~el ig\.

r.

f

-

dichtheidlaagje .. 17(;0 kg/m) (s.g . ... 1,7; AIt.merL.,an) .

X D gewichtsfr~ctie K~ter in het laugje - 30% • 0,' •

.... H d . verda1ll1 ina_{3warmte water .. 226( kJ /'z..,!l}

W ver r ~ I ü ga.s ... ( DC~C") - • 10 -4 Ir,; liJ.<igdikte 0,6C .

1e

-4 m) 2 m

-16-.1

, ... ,,,,

..

V'J.x.6

H d "

7

,2.') .

îC-t' J.

ver

6 _.

A(T~

₀

.. 2. sec.

tolge~s hoofdstuk IV c is je .~rmte benodigd voor opw~rIDing en smelting van het C~(H03)2 verwa~rloosb~ar ten op41chte v~n de *armte benodigd voor verdamping van tet .~ter en ontleding van ~et C3(N0

3

)2' Je ~ullen de vrij inge~ikkelje berekening voor de tijd ba~oligd voo~.opwar~en en smelten dcin ook ~chterRege ltiten. Het gb~t immers slechts om bepaling

.

van de orde van grootte.

We zullen nu om een berekeninB mogelijk te maken moeten aannemen. dat de ontleding bij constante te~}eratuur

(561°C)

verloopt.

Het

blijft een

open vraag in hoeverre

de

aan tet ieeltJe toegevoerde warmte voor

ont-leding, resp. voor opwarming wordt gebruikt, en dus tevens of de aanname

van ontleding bij constante te~peratuur geoorloofd is. Van~ege de eenvoud moeteL we deze aanname doen.

63

.

10- 12

·

170C

.

O,7

.

2250

.

10

3

-

_5,75

.

10- 8

.

122 10- 6

.

16 ~ 10- 2

.

(87,4

-

8)44)

.

t • '. t lil z "-

·

2)

10-

5

..

sec,

6,74

_·

We kunnen de totale ontleji~gstijJ dus op ~ 50 sec stellen.

Door Van Eyl is een meer exacte berekening gemaakt. waaruit een ont-l~dingstijd v~n • 16 sec volgt.

De or~e v~n grootte is dus zeker juist. Voor de verlere berekeningen zullell we een veiligheidsfactor 2 nemen, waardoor de vereiste verblijf-tijd 60 sec. Nordt.

f

l!

Heactor met Regenerator.

,

t

I ~

I

_I

l

l ~ a Warmteoverdracht.

Er moet

4760

kW overgedragen wor~en via het CaO. Nemen we een stralin

gs-verlies in de reactcr (600°C) dan van 10% (Voer de kalKoverls (11COoC)

is het stralingsvarlies ~ 161~) dan ffioet er in totaal 5300 kW in de reactor binnengevoerd worden joor het CaO.

-

ct"

..

~M . Cp •

6.

'I' CaO 6T ~ 11000 - 60eO • jOoOe

e

-

7jO

J/kgOC PCaO

530~.103

•

~

. 77C.

JOO Me 0

5200

.

1

c

j

~

• • '4 kg/sec. M

365.

10

5

,) Er moet jus

14

kg/sec CaC gecirculeerd worden tussen

re~ctor

en regene-rator.

Uit hocfjstuk

Vrlr

volgt dat ie ontleii~gstijd ongeveer

50

sec bedrda~t.

De verblijf tijd moet dus minim~al 30 sec bedragen

"C .. G - massa van boet bed.

~M • massa stroom in kg/sec

De productstroom

C,4C

ke;/sec valt in liet niet tJij de circuld.tiestrocm

Tan

14

kg/s~c. ~M •

14,4

kg/~ec.

Uit de verblijftijdseis volgt een minimale be1massa

(G).

G

-

60

.

14

,

.t

k~

..

664

kg

Dat is

..êi!.

_3;':00

..

0,270 m

3

CaO, hetè'een bij een porositeit

10

_m3~

m

3

minimaal bedvoluDJe van

j C,270 1 betekent.

.

-

~-~.,-.

S

•

0,7

een

Behalve de eis vé:l.n e :r. minimale verblijf tijd is er ook nog de eis,

dat é~n CaO-deeltje niet tweemaul achter elkaar door een druppel

ge-troffen mag worden, o~jat anders de ontledingstijd aanmerkelijk langer

wordt (vanwege grotere laagdikte) en tet deeltje de reactor~erla3t

voordat alle Ca(N0

3

)2 is omgezet. Dit zou tot proiuctverlies leiden.

Om aan de eis te volioen, dat elk deeltje slectts door één druppel

wordt getroffen, is een 1CO-voudige deeltja8oYerma~t ten opzichte v~n

het aantal druppel~ gewenst.

De k3ns dat een deeltje tweerea~l getroffen worJt en gedeeltelijk

on-omgezet de reactor verla~t is dan 1%. Dit is een acceptabele waarle. Het aantal druppels, dat çer sec. versproeid ~orJt, is ~ls volgt te

berekenen :

1,16 kg/sec Ca(~03)2 )

0,)0 kg/sec _H20

~

--->-

1,66 kg/sec oplossing (s.g. 1,7)

ltr/sec wordt ver::;f'roeid in dru~pels v~n )00jA-dLur:eter.

-12 )

V l .

_druppe 63 • 10 m.

~

.

I

)

t

f

,

,

!

=

1,)

9

•

1 0

7

d ru P

r

d 1 a / sec .

6~ .

10-12

Elke iruppel houdt eeD deeltje gedurende ~ 6C sec. bezet, zod~t om tot

een 100-voudige dedltjesover~3at te komen er in het bed aanwezig moeten

zijn :

lOC. 60 • 1,:)51 • 10

7 -

~,54

. 1 010 deeltjes.

Elk deeltje heeft een volume van

65

10-12 m

5 ,

zod~t

het deeltjesvolume

is :

j,54

.

1010 •

63

10-12 m

3 •

6

m3•

Bij

t:

•

0,7 is dU3 een beJvolume V1:!n

f .

1 ('

6

m .. 3 ~

.3

vereist.

Deze

~is

gaat dus verder

d~n

de verblijftijdseis, die slechts tot 1 m

3

gaa.t.

Bij een

~

verhouding van het bed van 1,5 volgt hieruit voor D

~D2 3

--4-'

1,) D • 20 m

....L

1 , ;) 20

TT

~

_1,5.1T

öl..

.. 17

m

3

D - 2,6

m &n H E 3,~ m. ( ,

De reactor mag in verbanl ~et nivBaufluctu~tie8 van het bed, niet

ge-heel met bed gevuld zijn.

De reactorhoogte moet daarom +

6

m zijn.

D • 2,6 m

H

_bed •

3,9

m

H •

6

m

reactor

We hebben een ge~idielJe g~3snelheid van 1 m/sec ~angenomen met

vond8rin - 0,72 m/sec

vbovenin •

1,~8

m/ssc

Er moet dus onderin de reactor C,72 •

aan flurdis~tiegas ingevoerd worden.

o ~!~:~~~~~::~~~_!~~_~~

__

:~~:~::~:~::

4

Om de

benodi~de wbr~te

toe te voeren is 0,4 nrn'isec aardgas nodig, die

ver-brand moet worden

~et

4.0

nrn

5

jsec lucht. Dit

betek~nt

een enorme

gasbelds-ting

v~n

Je regenerator. 4,4

c~5

/

sac

worit bij 11000C

(1'73

0

K)

een

volum~­

stroom va.n

1~3~

.

4

,4

rn)/ sec Ol 20 m

3

/sec. Om de !:lnelheid van ilet ga.s in

ver-band met de flufaisatie bir.~en re1elij~e grenzen te houden id ~en grote

diameter van de regenerator vereist. Ne~en we een gassnel~eiJ Ban van

2 m/sec dan wordt de benodigJe di&meter

),

6

m.

I

l

f ~

l

f

I

i.

, ~

I

I

t

f

\

~

_~' i

r

I

t

t

f

I

I • l

î

,

I

I

I_, ', I ./

/

Als bedhoolte Rordt ~ekozen 5,6 m om e~n st~biel bei te verkrijgen

H

(ï) verr.oudin6~1 ).

De vraag rijst nu of een gassnelheid van 2 m/see een acceptabele waarde is.

'Om

deze vruag te kUll~en oeantwoorden moet~n

we

de uitblaassnelheid

(za

vrije val sneH.eiJ) van deeltjes lJ,et diverse diameter beschouwen. In grafiek 11 is de uitblaass~elteid gegeven ala functie van de deeltjes-grootte. Tevens geeft deze grafiek de IJ,inimala fluldisatiesnelheden, zoals deze door Hó.enen :d~r. gece ten.

Een practijkgetal

--

-

-_

voor fluïd-oeds ia, dat de fluïdisdtiesnelheid niet

.. _.- ... _-~ ... _ ... ~-

-

-

.

groter dan 2 ~_3,~aal de ~init:lumflu!dis~tiesnelheid mag ~ijn. Daarboven wordt zeer veel uitgeblazen. Uit de 5rafiek blijkt nu, dut dit inder-daad

_,

het geval is voor de gebruikelijke deeltjesgrootte in fluid-beis

(D

<

100)4). Voor grotere deeltjes neemt de uitblaassnelheid sterk toe met de deeltjesgrootte. Het is daarom ook mogelij~ ean vael grotere gas-snelheid te gebruiken dun 2 à ) mahl de v

mf'

Een gassnelheid van 2

m/

sec heef t to t gevolg dat ue deel tj es

<

260/" ui

t-ge b laz en

'nor

ien.

Dit vereist welisw~~r een forse cyclooninstallatie, doch ~et komt wij

voor bepaald wel accept~bel te zijn. Een experiment zou hier zekerheid

moeten verschaffen, aangezien de deeltjesgrootteverdeling niet bekend is.

Uit de grafiek blijkt vourts, dat bij een gatisnelheid 1,25 w/sec, ~oals in de reactor, deeltjp-s<20C,?- worden uitéeblazen. Ook ~ier dus een forse cyclooninstallatie.

'" 3,6

m

.. ),6

m

H _regenerator -

5

m

De regenerdtor beva.t lus aan bed: 7TO,6)2 •

3,6

m) ..

37

m

3 •

Bij een

-2

G

-e

-

0,70

betekent lit

1-

.

37

m

3

•

11~1

m

3

C~O.

Dus i1, 1.5200 M 35.)00 kg CaO.

10 s_~.a2_

..

_a~c_

D k ru va 1 over regenera t cr 35·50C10,2 , Kg /,2 m - 0, / ~5 korrJc".~ ,2.

De verbrunding van het aardgas geschiedt ie d~ rator. Aardgas heeft een vlamtemperatuur van ~

is bij l8üOo

e

(2100oK)

7~~~

x zo groot als bij ia onler in r.et bed 1,)5

atm

dus

i

atm

~oJ~t ~

3

v

~10C ~ Q

To taaleffec t : rI. I ,. .t.. rf.. • .t.. ri

'f'v 1400 '

4

.

'fiv b 'fJ_v

ruimte onder de reg er.e-1600o

C.

De volumestroom

11C:OoC. Echter de druk

1

x zo klein worit.

4

Door d~ everdruk wordt dus juist Je volumetoename ten gevolge van 1e In-voer met 18000

c

gecompenseerj, zodat geen snelheidsvermeerdering resul-teert.

I

t

I

[

\

!

I

t

!

I

I

I

I

f

I

\

, k !

./

Zeer snel na invoering is je tec~er~tuur van het gas l1e van het bed

ge-worjen (flu!1-bed is ideale ~en~er)

ct

Coostructle reactor en regenerator.

-

---Doordat het ontwerp van een reactor met een regener~tor zij~ analogon

vindt in het Flurd Catalytic Cracking, ligt het voor Je hand de in de petrochemische industrie gebruiKelijke constructiemethoden toe te passen.

Het meest geavanceerde ontwerp is de zogen~am1e Ortlo-flow-constructie

van Ke 110SIS.

In dit ontwerp bevindt de reactor zich bovenop de regener~tor, zodat het deeltjes-transport door rechte pijpen

_,

kan geschieden (vandaar de naam ortho-flow).

Het ontwerp biedt t~ee voordelen :

door georuik maken van rechte pijpen heeft men geringere erosie. 2 door het boven elkaar ~laat3en van reactor en regenerator bespaart

men grondoppervlak.

Daar 8 taa t dan als nadee 1 "lleer tegeno"/er, dat de fundering veel zwaar-der moet zijn dan voor naast elkaar staande reactor an regenerator.

In de aardolieindustrie werkt wen met catcrackers ~dt een diameter van

10 m of meer.

De apparaten zijn daar zo groot, dat men de cycloonconstructies (~

4,5

m hoog en breed) in de reactor en regenerator aanbrengt. Dit is voor de Ca(N03)2-ontledings-reactor en regenerator niet mogelijk, omdat in de reactor het milieu zeer corrosief is N0

2

/H

20 bij 60C

o

C, terwijl in de regenerator, waar een niet corrosief milieu heerst, de temperatuur zo hoog is (11000C), dat een constructie in metaal uiterst moeilijk en kost-baar wordt •

Besloten is daarom de cyclonen buiten de :eactor er. regenerator op te

steller:. Er di en t nu

v-;;-~~

'

;'~

"

g~~

'

j

-

eiso

lt:!.

tie

v:..n de cyclor,en ge zorgd te worden. Reactor : De reactor-~antel worJt in con3tructiestaal uitgevoerd,

waar-binnen een isolatielaag van "vuurva.st" Deton aangebracht wordt. De reactor heeft een overloop ioordat een deel van de cilinder-vormige ruimte met een Nimonic-pla.:.:.t is afgescLeiden. Deze overlooprui~te gaat naar beneden over in een valpijp, die in

de regendr~tor han~t. Om te voorkomen dat met dd

circulatie-stroom van C~O-deeltjes tev~n9 den hoeveelheid NG~ mee in de é.

regenerator verjwijnt, wordt in J~ overloopruimte stoom

inge-bl&zen om het ~roductgas te strirpen. ~en s~uit nu dus een

continu stroompje stoom

le

reactor in,ter.ijl d&arioor

rege-f

I.

i

1-t .

r

t

I t

-nerator gaat. In de valpijp is een grote schuifafsluiter

gemonteerd Ra~rmee de circulatiestroom aan C~O geregeld kan

'Norjen.

Om het gd.3 uit ie regenerator af te voeren zijn 2

afvoer-leidingen nodig Vdn

8,

'

5

m diameter.

Opp. : 2 •

7T{04

6~)2

.. 0,665 m2

~

_v - 3,8 +

3

-

6,8 m3jsec.

Zodat de gassnelheid ongeveer 10 m/3ec bedraagt. Dit is een

practijkgetal voor gassnelb.eden in leidingen.

De afvoerleidingen zijn aan de binnenzijde bekleed met

vuur-vast beton voor isolatie (Tb' Q 600

o

C). De leiding kan

lonnen

dan in constructiesta.al Horden uitgevoerd.

Regener~tor : ~e regener~to=mantel is va.n constructies taal, w~arbinnen

een isolatielaag van "vuurvast" beton (b.v. Plicast van de

firma Plibrico uit Rotterdam).

Deze vuurvaste beton-soorten kunnen voor continu bedrijf aan

ma~imale

temperaturen van 12)0 - ij500C worden blootgesteld.

Ze zijn bovendien slijtvast, hetgeen ~rettig is vanwege de

eroderende werking van tet fluid-bed.

Niet bestand zijn deze betonsoorten tegen directie

vlaminwer-voor

kir:g, ZodÓ1t1de ';erbraniingsrui!Lte on1er:ie regenerator een

oemetseling met vuurvaste steèn is gekozen. Volgens Perry

4th

ed. 23-68 is Silic~-steen de goe:ikoo~ste vuurvaste steen.

o

Deze steen is toepasbaar tot tem~eraturen van 1700 C. De

vlam-o

temperatuur van ~ardgas is • 1800 C. Mocht daarom 1e goedkof_

Silica-steen niet voldoen, dan moet gezocht worden in de

rich-ting van Siliciurn-carbide-stenen, die duurder ~ijn.

Vanwege ae ~rootte van ie regenerator (~

5,60

m) isde

boven-kant gedacht als een Koe~el van vu~rvdste steen. De stenen zijn

wig-vor~i~ zoJat het vrijwel uitgeSloten is dat er gaten in ie

isolatielaag vallen. De stenen drukKen elkaar als het ware aan.

Bij een koepel van vuurv~st beton i3 het niet onwadrschijnlijk

dat door scheuren van het materiaal brokstukken van je bekleding

loslaten, waardoor gaten v~!len in de isol~t1elaag. Het tevolg

is dan dat de Ydnd van constructie-staal direct in contact komt met de gassen xet een te~peratuur v~n i1GOoC, zoiat de wani on-Did:iellijk bez~ijkt. Een kOdpel van wigvor~ige ~tenen is iaarom

te verkiezen.

De regenerutor :leeft 6 afvoerleidingen IDet een Jiarr..eter van

0,65

m (om de gassnelbeid op • 10 mjsec te houden). In

-2.:.-I

I

t

J

t

L

i

_t

i

-stelling _{tot de} ~fvoerleijingen _{van iu reactor wa~rin ~en het}

~as liefst o~ tem~erdtuur _{Nil tou1en, zod~t een binnenbekleiiB~}

VOOr isul~~i2 'l~n le w~nj v~reist _{is, kunnen Ne nu i~~e}

roo~g~s-afvoerleidin~en va~ eb~ _{koel~~nt~l Yo~r~ien. De CO~9tructie v~n}

een koelmantel is eenvuujigar .jan je ~onstructie vun de

binnen-bekleding van vuurv~st b~ton. De ~armteinhoud van de rookg~ssen

'Rorit toch in een rt;va,<lte-.... e __ t-reccvery" (meestal eer, stoomketel)

nutti~ gaoruikt. Ne kULne~ daarü~ eenvouiig ~et

ketal'lcaiings-",~ter _{door je koelo.antels sturen. Het i<etelvoe:1ing5;r~tar}

i'l'orit

dan voorverwarmd, terNiJl de metalen ~ijpwbn1 _{koud blijft o}

n-danks je erioor strcmenle ~e te gassen •

. /. / r V zodat _{d.e terr.peratu\,;.r vl:in de}

pijI--()(~.is-·"and ... V'\tf3ni-wdtör'

~and _{jicht bij je tem~erdt~ur van het koelwdter ligt}

.

Het de~ltjes _{transport ges~~i8jt iocr ean v~lfijr}

vanuit de

r e ~ c tor n éi "" r :i ere ge r. e r (~ t (, r e r. v i::. ·3 ~ n s tij S 0 ti i s (p r. e Ulld t i sc):

transport ~~t het recircul~tiegas) _{waar terug n~~r de re~ctor.}

De v~lpijp en de stijgou13 :evinjen z~ch in de regener.itor met

een bedtemper~tuur v~n "eooc. Zij z1jn daarom niet van

metaal te vervaardigen. _{Ook hier ~orlt weer beiacr.t aan}

vuurv~st beton,

met een maximaal toelaatb_{are temperatuur Vd.n}

_155C

o_C.

Van de diverse soorten Plicast zijn heel _{goed vormstukken te}

o

_{vervaardigen, zodat ook pij Fen van dat materiaal wel mogelijk}

zullen zijn.

Om te voorkomen dat bij het do~n-gad.n _{van de fabriek de}

verbran-dingsruimte volloopt w.et CsO-korrels ~oet eent~onische _trechter

van vuurvast beton ie verbrandlngsruimte van het fluîd-bed

af-scheiden. _{Deze conus staat bloot aan ie directe inNerking van}

de vlalLcen en vOr!:lt daarom een Zwö.k Fun t in de gej-~ele _cons

truc-tie , aangezien vuurvast _{beton niet goed tegen directe}

vlamin-werking kan.

Cyclooninstallaties _:

De cyclonen v~n _{de reactor moeten aan de binnenkant met een}

isolatielaag _{van vuurvast b~ton bekleed worden, om:iat}

we de

o

gadsen op 600 C willen houlen.

De cyclonen van de re~enerdtor ~or:ien _{voorzien van een}

koel-mantel eventils de S afvoerleidingen.

.

/