Zwavelzuur-proces

Jac.

V~rslag -behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

...

...

...

.

...

!!.!

...

~_<?;~~~_~_!-:~ ___ ~p. ... ~.~ ... ~MÈ-.<?ff.-.. _{c -}"""" , ~

.

. .

...

onderwerp: ... .... ...• _ ... ,~.~~:v.e.l~.\lu1:.~p;t:.Q.ç.~.e ... -... . ,I

1913

1915

, \ I L J

[

:

/

n

o

n

n

n

.• 1

-V,'.n ',i. I.' ei.:i cr s .T. ~[. dom',re 1 i er en V2-n J. 11 ermerrnn / G. V or--koven, ve~pakt in een ei~en flowsheet (~e8tneld op in de nr;:::':t:3 k fj:>.n.g-bare lwocessen) V2.n een kcmr)~~c'te z~,r~vej,:~',l,1.

nr--(Ee vol ~ens hot kontctl~t 'ol'océdé ,',erJ:t. Ret doel

Vê!.n dit ont~erp is ~cwecst, om te komen tot ecn 3)l'OCCG rrn.L .ll .... !.t

In hot model van do f~hriek zijn enige det2ils als

V~8t-De onb'~nel'!(t voorX'8.(:1i r:ecçronn.stof is zul VCT' /' \ï;:;,",'E<'-< ,

J)~ :,'(~aktor i p, een (vier - bed::;) hord.t~n~~0rvc:ctor 0

--Oni te '\'-olcloen aan de berekende er:ii:3siGnor~n ,:ordt g'eT;T11j_!·:.::

~cm~~~t v~~ het moderne systeem van tussen?hsornt ie v~n SG3 na het derde k~t~lYG~torbed.

sorntietorcn~'3 en voor verschillende v8!'(:,Jij:.t':d;j,j(1.';}1 V';'!l het reaktief';-:'fl in de. kaialysatorbedclen. Dit t,eeft totr~oel o:n, rcken:i.nr; houcJend met de er.üssienor!'1 en !'!let (8 kost 01!.f""lct '-:,r' ,

van de parnmeters.

A2!1 de h"'nrt V2.n de r8l~enresult3,ten is de oozc't. zOQ"ni", ,',,'n

--mo~cllcn zijll ver~re~en~ die aan de door ons ~e8telde eisen

'lolrloen:

Flo::8Î:wn-c !~l,\, voor7.,i'2l1 vp,n een injel-:"ties,-,;-l;cBfll "oo~·' ~'~(m-­ de lucht (1 C!'I),enCh~~lG-(;c8ml) i .':).v. do df~:r'd0 \~~'.r-::1tc'tiir;:'Gl:l'~,r.

I ' ! I I . ! l . [ .

l .

[

.

n

n

n

n

r

11 n~EOUD I I I III IV

v

VI VII VIII IX

x

XI Samenvatting Inhoud Inleiding - 2

-1. Keuze van het proces en de katalysator 2. Keuze V2~ de konvertor

3.

Reduceren van het S02-gehalte in het schoor-steengas

4

.

Bepal~ng van dG emissienorm

5.

Op!:lerkingon Werksché)D2..

Kompu-Ler:;::rcgrar::J. Cl en Dodules 1. Rekensysteem

2. Tlodules

3.

Zelf geschreven modules

Keuz8 van he t flolVsnce t (De afbeeldin[çen A en E)

1. loderne alternatieven

KOrt1IlU terbercl-:eninf:cn ui tgaancle var: de flowshee t3

IA en IB

1. Resultaten

2. Diskussie Ya..'1 de re8nl taten Wijzigingen in de modules

Evaluatie naar de flowsheets IIA en IIB (1 . opzet)

2. Re8ul tater:

3

.

Grafische verwerking

De optimale waa.rdcn der parameters voor dè ge-Gehikt bevonden flowsheets

Invüsterineskosten anno 1975 bij de bouw vall een

zwavelzuurfabriek met een kapaciteit van 1500 toni

Idae

(ontwerp IIA en IIB)

1. Kosten van de eler:lenten van de fabriek 2. Totale investeringskosten in de fabrieken 3. Kosten pe:c produkteenheid

1 2 4 4

5

6 7 8 9 10 10 12 14 16

23

25

27

29

31 35 36 38 39 42 50 51

I '

L •

I

..

'

r'

r'

lj

n

['1

n

f1

n

n

r

XII XIII XIV

x:v

3 -.E..~ :!)isku.ssie

52

Î • SUGgesties 56 2. SlotopmerkinGen 57 Appendix A 58 Appendix 13 60 Appendix C

62

LiterR.tuu:rlijst 65

I , I l _ r'

l

r '

l,

n

n

[1

r

r

1

-

4

-Alvorenn kan WOl'c!~n overE'f'e:aan tot het doorrekenen van een

zHA.velzuu!'fél'hriek, moeten a.llereerst alle op zich staande

elementen van de fabriek - en een aantal facetten al~

proccm·!Î jze, nroduktni vean, aél.rd van de grondstof, enz.

worden vastvele~d. Voorts is reeds door voorga~nde

onder-zoekers (lit. 1,2,

3)

gesteld, dat getracht moet worden

om het emi8siepercenta~e aan 802 tot een aanvaard.baar kri terium

·terug te bren~en, w'tarbi ~i HE' 1 het oog gericht moetb1i jven

on de economische Rspekten~ die dit met zich mee gaat

bren een •

-: < Keuze van he'~ Droces en 1e katalysator.

De licreidinG' van Z'\'lavelzuur geschiedd.e vanaf het :-,egin e

van de 19 eeUH door middel van het. IIl odenkamep proces"

(lit~ 1). Dit p~oces leverde echter H₂S0

4

met een

maxi-male sterkte van

78

%.

Het is dan ook gel'eidelijk

"'101'-drol'l!3en door bet efficiëntere "kontaktproces", dat in staat is het ruim 98~ sterke H

2S04 te produceren. Hct

kontaktproces berust op de direkte oxidatie tot S03 van

het bij roosting va~ cf door verbranding van zu

i-vere ~wavcl ""1' i jgekcmen

8°

2• _Aanvankeli jk r.1aakte r.1e~

hiertoe gebruik van een Pt katalysator. Hegens zijn

hoge prijs en zijn grote gevoeligheid voor giften (o.a.

As) iR deze ver-drongen door de veel mind.er aktieve

V

20

₅

/

K20 (K2û als promotor) katalysator, die echter

veel goedkoper is en toch goed funktioneert in een

werl:-gebied. van 410 tot ruim 6000 C (lit. 1).

i'lel moet het voedingsgas goed gezuiverd en de lucht

!

IV""· goed. gedrooe;d. zijn, anders heeft dit deaktivcring van

n . iVO"'"

(~{) !'.Up} de katalysator tot ,gevolg (naast de korrosieve aspekten

\)J , .y

i 1);~~oJ,?v'\bvJ.Üj de aan"Vlczigheid van Haterdamp) •

~

LJ

[

:

r'

I:

[

,

r:

n

n

n

n

l,

r

I

-

5

-2 e Keu.ze ,ran de kon\rertor.

In kontakt r~e"t de katalysator wordt het S02 in gasfase geoxideerd tot

S03-2 SO ₂ +

°

₂

-

,

_~

--

2 SO

3 ( b. H

= -

45.2 kcal/mol).

Opgemerkt kan worden, dat de reaktie sterk exotherm is. Aangezien de heersende temperatuur zeer sterk van invloed is op de ligging van het evenHicht, moet deze zeer goed

in de hand worden gehouden (gereguleerd). De pr-ê.kti jk leer:,

d~:t·. !"~ .~?~~C (!;rin~'1ck~:.":'/Ktl.(:hler: 41fi0C) de lCl,êg~i; vcreist~~

·t~::'?('r2.hl1.lr is , waardoor het gebruik van een konvertor met meerdere bedden, waarbij het gas tussen ieder bed in

wordt gekeeld, de voorkeur verdiend. ~en moet de tempe

-ratuur zodanig kunnen regelen, dat de ingangstcmpé)rat\~ur

in het laatste bed ca. 4200 C is. Vroeger rr.aakte men

dê.artoe gebruik van de "Röhrenkonvertor" (tussenkoeliT1g d. n1. v.

koud gas:fig. 1); tegenwoordig is deze verdron~en door

dH meer efficiente "Hordenkonvertor". Heaser (li t. 5 ) verneldt dat de Hordenkonvertor als voordelen t.oov~ de Röhrenkonvertor' heeft, dat de katalysator vrij blijft van korrosieprodukten en dat de katalysator een grotere

levensduur verkrijgt (fie:. 2, 3, 4 e.v.).

Gekozen is voor een adiabatische Hordcnkonvertor met

4

bedden in train, mede omdat hieraan reeds enige series metingen zijn verricht (lite

2

),

waardoor de resultaten

te vergelijken ~ijn.

-I ' L , r ' I L ,

[

~

[

:

[

:

r:

n

n

n

r

- b

-3. Reduceren van het S02-p;ehalte in het schoorsteengas.

rlanneer geen verdere voorzieningen getroffen "lOrden, is

bij optimale bedrijfsvoering een konversie van maximaal

97% he,al baar. Dit zou voor het schoorsteengas inhouden,

dat dit vervuild is met ruim 3000 - 4000 ppm aan

S02-Dit ligt ver boven de gestelde norm (pag. ,59 ) van ca.

200 ppm.

Zodoende dient er uit de ons ter beschikking staande methoden (tabel 1) een keuze gedaan te worden om het emissiepercentage 11 aanvaardba,ar laaglt te houden e Gekozen

is voor het recente systeem van IIdual absorption" wegenn: De investeringskosten voor een DA-systeem zijn bij inte[;I'atie in een niemie fabriek niet hoger dan de

kosten die gepaard gaan met de inpassing van een

efficient IIscrubbing systemll•

De "operating casts zijn zelfs duidelijk lager dan

die van alle " scrubbing systems" (tabel

3).

Browdcr (lit.

7

)

geeft cijfers over de emisnie, die

vergelijkbaar zijn met de resultaten van de meest ekonomi::;ch toepasbare IIscrubbing systems" (Ng0₁

methyl-amine, aktief kool).

Extra opbrengst aan S03 (H₂30

4

)

Hegens een bijna

volledige konversie van S02 ( 99%). Dcze uinst

1)\:)-draagt ten OIJZichte van de gangbare andere processen

ca. 10 - 15

%.

(lit.

1 1; t.o.v. oude, niet optimaln fab:deken).

Voorts is IIdou-ble absorptionll

een vrij nieuwe methode,

die misschien nog ('~1ir:-e mogelijkheden in zich bergt, die

tot een verbeterde uitvoering kunnen leiden.

In het ontwerp van een nieu'lic fa.briek lijkt het zodoertde

gunstig om op deze ekonomisc.he motieven IIdouble

absorp-tion" in te kalkulereno

-, l .

l

~

l.

'

r

'

r-r'

l

[

.

[

.

[

,

r '

r~

r

[

~

r-l

j

II

r'"

l

j

n

rl

l J r: I l I

r

I

,

~

~/~

Wil men een bestaande fabriek aanpassen aan de moderne

emissienormen, dan ~taat het nog te bezien of de

uit-breiiding met een "add-on" systeem het gunstigste pers-,~

pektief is. De cijfers (tabel 2 ~3,

4

en

5)

geven hier

nog geen uitsluitsel over, hoewel het voordeel van de extra opbrengst aan S03 niet weg te cijferen valt. Een voordeel van de "scrubbing systems" is echter, dat zij 302' S03 ~n H₂S0

4

-mist absorberende kapaciteit

bezitten. Het reinigingsresultaat is eveneens veelal

beter dan dat van een tladd-ontl systeem.

.

4.

Bepaling van de emissienorm.

Voor een uitvoerige behandeline over de emissiel10rm

kan verliezen worden naar het fabrieksvoorontwerp var.

J. ~l. Rouwelier.

Aan de hand van grafiek

5

krijgt men een indruk wat

het effekt van het S02-gehalte in de lucht op de

ge-middelde mens heeft. Uit deze grafiek valt een

abso-luut maximum van de grondconcentratie aan S02 af te leiden, indien we uitgaan van een "gevoelsme.tig" beeld:

De gevoeligheidsdrempel mag niet binnen één etmaal worden overschreden.

De vervuiling mag niet op te korte termijn

(bij-voorbeeld binnen een week) een duidelijk effekt op

de mens sorteren.

Gekozen is voor een maximale grondkoncentratie van 400 pg S02 / m3 lucht.

Hanneer iie nu een aantalomgevingsdetails en een niet

al te gunstir,-e lieersomstandigheid aannemen, valt na

berekerling ( app.A) een emissiegrens van ca. 200 ppm

[

~

- 8

-[

:

,5.

Onmerkingen.

r:

[

:

n

n

n

n

- - -

-Voorts is de plaats in het systeem, '\-Taar de

tussenab-sorptie voorkomt, nog een belangrijke faktor. Dit ge-schiedt steeds v66r het laatste katalysatorbede Dit is

de meest geschikte plaats, omdat :-:'aa.r de maximale hoe-veelheid S03 geabsorbeerd kan \'lorden. De ligging va.n het evenwicht in het laatste bed wordt nu in ~~n8tige

zin beïnvloed, wat bij bedrijfsvoering bij de optimale temperatuur (4200 C) een bijna volledige konversie van de laatste restanten S02 mogelijk maakte

Het doorrekenen van de fabriek geeft het effekt weer, dat enige belangrijke parameters -de totale verblijfstijd

---van het reaktiegas in de katalysatorbedden, het percen-tage,SO;? in het voedingsgas en het ab~percentage

in de absorptiekolommen - op het emissiegehalte a~~

S02 uitoefenen. Deze parameters beïnvloeden voorts de hoogte der investeringen en de grootte van het benodisde warmtewisselende oppervlak, welke ook cen belangrijk

aand~el in de investeringen heeft. DG resnltaten uit de

berekeningen kunn~n aanto!lcn, of hwI; ontNerp bruikbaar :is

(in praktische en ekonomische zin), of dat er verbeterinsen

aange"hracht dienen _te ''lo~J~en.

Het doel is om bovengenoemde parameters vast te leggen

in het ontwerp van eew z\oTavelzuurfabriek, welke de meest ekonomische bedrijfsvoering mogelijk lijld te maken.

L

[

~

[

~

[

:

L

r:

[

:

[

~

r'

l J

n

[1

n

n

n

- 9 -IV. Herkschf!1'P.2..

Y.:on:-;t7"u~rtie v~n een gesc:':'kt l i .~kp-ncl flcH!-;'b.f~et.

Ret in de juiste vol.r;orde 'achter elka~r schi"!.kclen V2.n de units.

Benalin~ wm Cte

.

invoern;er;evens van het

hoofd-Het zoeken vrJn de vereiste r.1odules.

Ret sc'tri.jve~l Vé'n de modules, die niet beschikbaar zijn:

E:-rTHAL ,:', mCRP, FYSPRO en CONTR.

Bepelin~ van de ~evraagde data uit de literatuur, of via

schatt inr;en.

Vr.riatie der inp,"anp;spar2meters:" tot?.d , de S02 fraktie

~ v~j

en het absor~tieoercent2.r;e aan S03 in de ahsorbers.

Verve.nc;ini; V2.n een 1':é'rmteHissel:::.;",r (HE-6) door een 'quencr:.' ,

H2arr.1ee koude lucht \'lordt ~e~njekteerd.

Het beoordelen van de bruikbaarheid van het flowsheet a~n

Cie hand van de resul t2.tcn; aanTlassin.r; van het floHsheet

om de 'battle necks' uit de berekeningen te elimineren.

0Tltimalisatie vc'n de in~~.n.,:sTlara1'P.cters voor een ;:restelde S02 emissienor~ de aan~epaste flowsheets m~t warmtewinse-lar.èr en met luchtinjektie.

Kostenknlkul<1tie voor beide (verwante) geoptimaliseerde

f2.brieken. Diskussie.

r

I

l,

n

n

n

n

- 10

-v.

Kor:mL1.terT)ro(,!"p.!nr,,~ en modules 1 .. Rek.ensYRteem

Het onh,orpen fabrieksflowsheet kan vlorden "vertaald"

Lbl~

in een bruikbaar "werkflowsheet" (fig. A'-;'<), waarin alle apparaten en stromen voorzien zijn van nummers.

Dit processchema, dat in beginsel uit een gekompliceerde aaneenschakeling van units is opgebouwd, t'lordt stap voor stap doorgerekend. Wegens o.a. recycling komen er in het schema gesloten kringlopen (loops)voor, "elke het oplos-sen van de gekombineerde massa- en warmtebalans tot een niet eenvoudige procedure maken. Daarom is er een I"eken-systeem ontworpen, dat gebruik maakt van de mogelijk-heden van de IBM komputer, met de mogelijkheid om alle elementen uit het geintegreerde flowsheet in logische volgorde te berekenen.

Het hoofdprogramma, lIIAIU, is verdeeld in twee onderdeIcn met een eigen "taak", nameli jk :EXEC-1 en EXEG-2.

EXEC-1 rekonstrueert het flowsheet aan de hand van de invoergegevens (naam, unitnummers, het aantal in.- en uitgaande stromen met hun bijbehorende nummers). Het programmadeel wordt dan in staat gesteld om voor ons vast te leggen:

De begin- en eindstaarten van het flowsheet. De loops (loopfinding).

De meest geschikte loop om door te knippen (loop-tearing) •

Er worden fiktieve units aan het flowsheet toegevoegd waarin de convergentie / divergentie beslissingen over

-r:

[

:

[

]

o

n

n

r

l, - 11

-een loop vlorden genomen ( iteratie units). Wordt een loop stabiel bevondens dan '\<lordt met de eerstvolgende unit verdergegaan.

De netwerken en clusters.

- De rekenvolgorde in ieder net'·/erk.

Uit de volgorde der' netwerken (clusters) en de rekenvolg-orde in ieder netwerk wordt de "oyerall rekenvol.q;orde" van het gehele gekoncentreerde flowsheet vastgelegd.

In EXEC-2 "Torden de uni t ~berekeningen uitgevoerd bi de

opgegeven volgorde, en de resultaten wordeü uitgeprinto Voor de berekeningen maakt het hoofdprogramma gebruik van een aantal genummerde 11 standaard hulpprogramma' s",

de zogena?mde apparaatmodules .. Deze modules kun!"len gelijktijdig met EXEC-2 beschilrJcen over een

geheugen-ruimte - de COiil:I~ONBLOCKS -, \Vaarin - voordat de

flOH-sheet berekeningen worden uitgevoerd - de invoergegevens worden samengevoegd tot matrices.

Na het aanroepen van een module (nummer)! onderneemt deze aktie op de specificaties met het doel om de be-treffende unit (in-- of uitvoerstromen) te berekenen. Als invoergegevens worden aan EXEC-2 ingediend: - Het aantal units, stromen en komponenten. ( - De unit data bij ieder unit nummer.

l De unit specifikaties bij ieder unit nummer: SPECM's. De stroomspecifikaties bij ieder stroomnummer: STRM's. - De komponentspecifikaties bij iedere komponent: COHPO's. Deze waarden \-Torden veelal bepaald uit schattingen of door het stellen van bepaalde eisen. Vaak moeten (redelijk

nauwkeurige) start\ .. aarden voor de specifikatieszelf worden berekend.Het programma stelt deze waarden dan steeds bij (ITER).

[

~

[

:

[

:

[1

rl

n

n

- 12 -2. Module~

De pasklare apparaatmodules, \'laarvan voor de bereke-ning van de zwavelzuurfabriek gebruik wordt gemaakt, zijn:

Module FURNACE: hij berekent de samenstelling,

tem-- Module EVAPO:

I

/ I

peratuur en de enthalpie van de uit-gaande gasstroom (de voeding).

Hiermee wordt de massaflow aan voeding berekend die:

1~ wordt gebruikt om de processtroom geheel of gedeeltelijk te verdampen,

2. verdampt wordt door de v;o.rmteinhoud.

f der processtroom te benuttcne

In dit ontwerp is punt 2 van toepassing, 'Y'éi.ardoor er geen gebruik gemaakt behoeft te '·Tord.en van de

subrou-tine EQUILG met de hulpsubroutines KOOKPT' en DAUWPT voor het bepalen van de samenstelling en agregatie

toestand van de uitgaande processtroom~

MOdule SPLITT: Deze module geeft de specifikaties van de tl-lee uitgaande spli tterstromen. - Module MIXER:

- Module HEEX:

Hiermee wordt de uitgaande stroom van een mixer volledig vastgelegd.

De ingaande stromen moeten wel een

ge-lijke druk hebben.

(warmteHisselaar): de temperatuur en enthalpie van één der uitgaande stromen wordt berekend. De temperaturen der in-gaande stromen en van de tweede uit-gaande stroom krijgen meestal een

I ' I L • I '

l _

r '

l.

r '

l.

[:

n

n

fl

r

I 13

-- M.odule PIXBED: In deze subroutine ",orden de chemische kinetiekvergelijkingen geïntegreerd -eventueel simultaan met de vlarmtebalans

met behulp van de standaard-subroutine DHPCG. De reakties spelen zich af in een katalytische vastbed buisrea~~or

onder isotherme of adiabatische omstan-digheden.

- Subroutine DHPCG: Hierin 1-lorden de kinetiekvere-elijkingen

o]')gelost.

- Subroutine FCT: Hij geeft de benodigde differentiaal-vergelijkingen - eventueel berekend met diffusielimiteringen

DHPCG.

door aan

Tevens zijn er een aantal modules, die het proeramma

.sturen of die een aantal algemene berekeningen uitvoeren:

Module ITER: Dit is een universele iteratie subroutine.

1. Hij berekent de fouten in de waarden

van de recyclestromen en vergelijkt ze met de nauwkeurigheidseis.

2~ Hij bepaalt of de cluster nogmaals moet worden doorgerekend, of dat met de

vol-gende cluster doorgegaan kan \ ... orden. - $ubroutine MODULE: Deze module bevat "call statements" naar

alle op te roepen modules.

De :mbroutines EN'l'HAL, FYSPRO, CONTR en ABSORP vlorden hier-· onder nog uitgebreid behandeld.

r , :

L

r:

r

,_. ,

I

[ 1

r:

[

:

r,

~

J

[1

n

14

-De DIRECTOR bepaalt in \'Telkc fase een apparaatmodule moet !'lorden aangeroepen. Voor de organisatie daarvan maakt EXEC-2 gebruik van de speciale subroutine PRASE. Alle modules Horden achtereenvolgens aangeroepen in:

de INIT fase, waarin gekontroleerd kan worden of de kommunikatie met EXEC-2 goed verloopt, omdat in dit deel alle beschikbare gegevens van de betreffende unit worden uitgeprint.

De CALCUL fase, waarin het rekenwerk wordt uitgevoerd. De CONTIN + OUTPUT fase; rekemlerk en uitvoer Horden

gescheiden door de CONTIN fase, hetgeen de fouten-detektie vereenvoudigd.

t-1anneer de verschillende iteratie-units hebben bepaald,

dat alle oplossingen zijn gekonvergeerd, (binnen de

gestelde nauwkeurigheidsnormen), dan worden de

flow-sheetberekeningen beëindigd door het aanroepen van de eindsubroutine LAST (een fiktieve eindunit):

1. Deze beëindigd de berekeningen in iedere fase. 2. Deze roept de volgende fase aan.

Voor een a.1eper gaand inzicht in de modules \-lordt ver\'le~;en naar het ontwerp van Kolf / Plantenberg, Haarin blok~che­ ma's van alle genoemde modules - in iedere fase - staan afgebeeld.

2 • Zelf ~cschreven modules.

Ten behoeve van een kompleet komputerrekenprogramma zijn er vier subroutines in elkaar gezet.

L • [ '

l.

[

:

[

~

r:

[

:

[

,

[ 1

n

o

n

15

-Subroutine FYSPRO: Hierin zijn ondergebracht de

(fiG. 30) cm.mON BLOCKS en de inleesopdrachten voor fysische ge,<;evens, l"aarvan de

apparaatmodules gebruik kunnen maken. Subroutine ENTHAL: Uit de gegevens over samenstelling,

(fig. 24 en 27) aeregatietoestand, soortelijke Harmte en temperatuur wordt de enthalpie

van de gespecificeerde stroom berekend. Verschillende modules maken gebruik van deze subroutine aln onderdeel van hun berckenin~en.

Subroutine CONTR: De7.e "control unit" draélgt zorg voor

(fie. 25 en 28) de juiste colitverhoudins van de

s~litter. Deze is ingebouwd voor de temperatuurqanpas3in~ v66r het eerste bcdin het flowsheet.

Subroutine AESORP: Daze module ~eeft ha invoer van ecn absorptiepercentD.:;e ecn volledi~ ~e-specificeerde uitgaande stroom.

l

~

[

:

l

,

II

n

n

n

n

16

-E~n van de belangrijkste faktoren waar men rekening mee dient te houden bij het ont.werpen van een fabriek, is de

warmtehuishouding ... Normaal gesproken heeft koeling of opwnrminrr van een procenstroom door middel van vloeistof (Hater) of nc.tte stoom duidelijk voorkeur boven gas als overdrachtsbrol1, wegel'lS het -grote verschil in de ,"- /armte-ovcrdrachtscoifficient.

Toch blijkt bij nadere bestudering van de in de praktijk (fig.7-19)

,...---eaneb~re processen, dat in de meeste gevallen gé'n

ge-"b1'o.ik .wrdt gemaakt van gas/vloeistof contact, omdat nog

Meerdere fC!ktoren hun stempel drukken op de :::)rocesekonomiel

Hwt Gebruik van koelHater (stoom) voor alle vrarmte-·

viisselende op:per,rlakken, zou een overmatige behoefte é::-..n i';3,"ter inhouden en een overmatige spui aan th(.l'misch

verontreinigd water met zich meebrengen.

De pl'od_uktie van hoog blali tatieve stoom (hoge i;empera"i' tuur c!?:hogc druk) Hordt er niet mee vergrootc

Do Hur-mte;,rissela.ars (economizers) moeten bestand zijn

tegeL verhoogdi: druk, zij ~ijn duurder dan no:-male warmtewisselaars.

Bij een event.ueel ongeval kan er water in het zeer korro-Dievc milieu intraden, hetgeen een katastrofaal gevolg heeft voor materialen en katalysator.

Na bestudering der gangbare processen is voorlopig gekozen

voor een enigszins geu:i.jzigd IIcoo 1cd feed" DC/DA (double contact/double absorption) flowsheet volgens

(

I~acParsons Construct ion Company (fig .. 15). T.J. Bro\-id.er

L .J l ~

l,

[

:

I

[]

n

r1

n

n

n

17

-het derde k8.talysatorbed nogal eens vTil fluktueren.

In-dez'" te"!'!,c::-'~tunr Heinir:; zou verschillen van de optimale

il1grtng-st~,rnne::-'cttuur van BED-4, dan zou een immens grote

Harmtel1isselaar (bij processtroom/processtroom kontakt) vereist zijn.Om dit te voorkomen is een

regelmogelijk-hei'd ingebou .... rd in de vorm van een extra l'Tarmtewisselaar met grotere drijvende kracht (double contact).

De voordelen van het DC/DA proces zijn volgens Browder: Flexibele operatie is mogelijk.

Meer stabiele katalysatorbed temperaturen. Grote besparing in start-up tijd.

Hogere konversie dan bij aanwending van een vocdings-quench (Bayer).

De aangebrachte wijzigingen ten opzichte van het

De/UA

flowsheet behelzen voornamelijk het elimineren van de splitters (regelkleppen), aangezien het milieu van

S02/S03 'behoorlijk korrosief is, in het bijzonder bij

~

temperaturen ver onder de 4000C (reaktietemper,üurcn), ~~ dus de gastroom, die uit de tussenabsorber treedt.

De uitgangspunten voor ons ontwerp zijn:

Maximale produktie aan hoogwaardige stoom (verkoop-baar);. dus optimn.le benutting der vrijgekomen energie, Deze beide punten zijn nu bijzonder van belang i.v.m. de sterk gestegen energiekosten.

Minimale verontreiniging van het oppervlaktevlater. De samenstelling van het schoorsteengas moet aan de emissienorm voor S02 voldoen.

Goede temperatuurregulatiemogelijkheid tussen het derde en het vierde katalysator bed.

Ret inbouwen van stuurmogelijkheden van het proces. Deze gedachtcn~angen hebben geleid tot de konstruktie

I

I \

_l,

i ' l _

l

:

L

L

L

r

r

:

[

:

f

.

[

,

I.

r

~ , I I l J

fl

l ,

n

n

n

~

[ 1

l J

1

_, -"

v--'f"

vJ '

iS

-FlO\'lsheet 1 A (fig. 23A).

Het 'werkflo\'lsheet 'ten be:"oeve van het komputerprogramma

is aigebeeld in figuur A op blz. 19. Om de regelbaarheid van het proces aan de aanvang te vergroten, is de

kombi-natie spitter - bypass (S14 - H15) aan het ÎlO\v'shect

toe-gevoegd. De regelklep heeft op deze plaats veel minder te

lijden van ~et milieu, aangezien alléén S02 in de lucht

(goed gedroogd!) een aanmerkelijk minder korrosief milieu,

tot gevolg heeft.

Flovlsheet 1 B (fig. 23B) 0

Naast bovenvermeld floVlsheet in er tevens een flo\'lsheet

onblikkeld, waarbij v:arwtewisseling door middel van een

warmte.lisselaar op één plaats in het nysteem is vervangen

door een 'quench' met koud gas. Bro\older raadt een 'quenc h'

met koude voeding af, aangezien het konversiepercentage

dan relatief daalt (grafiek 4B), hetgeen invloed heeft

op de eindkonversie. '.-Jél pe'C'l3pektief biedt een lquem;:'"

met koude lucht na het tvleede bed, en \'lel om de volgende redenen:

- Een quenen na het eerste bed zou een te groot volume aan

koelgas vragen, \!aardoor een grotere apparatuur vereist zou zijn.

De veT'llaehte positieve invloeden van een 'quench':

- Toevoer van lucht verhoogt het 02- percentage , hetgeen

een gunstige invloed heeft op het evenwicht (dus op de

konversie in het derde bed).

Het S02- percentage in de voeding kan hoger ... !Orden. - Koeling door middel van koele lueht is een relatief

goedkope vorm van koelen.

-( \ I l J ( , 1 ,

l:

r'

f '

l J

r

1

r 1

[1

[l

n

n

n

r

I I 1----"71

11

, 0 19 -L -_ _ _ _ _ 'll 'i" 1\

1

•

,

....

... --- , ~ ~ - j :::=J ,--..-, "---- _...J Lvel, f-6 FI3 =-=:J 7 Zf.VaIJe,f r - -, - - - . j ~

E1

~3

SILj

vJA1t:t'l.. - - - , ---. I1\Af~s

120

~8Sf

;k

ZI,J-zwti"L_J

z~

~

32

19 , - - - , U(jR.

--~I

~

I-U';~ _4~

·

(~~

)'

:':

-3

'" 1)\

!

18

_{_'J'...7}

2

2

5

~'-!

11

8 J \ / r - - - " ~ 6 ~---I I -'lIL I

Ml1.15

I

_8"

_Lt

31 ~ 15 .... - --;;

.-I

MIX

6

'[\ 1/.

_u

16 I I'

l

~~

... I -- V I-J/l.TI.=R.,. 9 !:!."TEl?- I ~I!-, !) ... v"' ...

7

14

j

gJ

7l

l

__

.

_J

/ 1 0 Luv"-f:

,

lwU,~

, - - I

AtSs

~ ~---. 12 { - - - i I

J

2

₃

I ZI-J2UUR

Hf"

S

v

j.

_._--1~· ... " _ _..· ... __ -~_. L -_ _ _ _ _ 0 11 >:j H Ç.l

§

~ tJ:j >:j t-< o ~ (f) ::r:: M [?j t-3 1-1 tJ:j I\.) o

I'

l~ f ' l .

[

:

r 1 I 1 J

~

]

n

n

n

2I -1 • ji10derne al t~rnatieven.

In recent verschenen literatuur (lit. 11 ) staan no~ enige nieuue uitvoerin~cn van een zHavelzuurfabriek afgebeeld.

De opzet van de félbriek is hierin eni!:;-szins gevTi jzigd,

om-dat enerzijds gestreefd wordt naar zo laag mogelijke in-vcsterin,,:skosten, anderzijds wordt gepoogd de konversie

van S02 naar S03 voor de volle 100% te komnleteren.

Het FRAP proces: Partial Recycle Air Process (fig.20).

Bij dit proces vindt geen enkele vorm van tussena

bsorp-tie plaats, noc~wordt gebruik gemaakt van een scrubber

systeem. Het doel is om in vier katalysato~bedden doer

een juiste keuze der procesbepalende parameters een

OD-timale konversie te bereiken (ca. 96 - 97%), "Taé~rna V?n het gas, dat de eindabsorber verlaat, on~eveer 75~ wordt

gerecirkuleerd (bijn" uitsluitend lucht) en het overige deel via de schoorsteen wordt gespuid. Omdat de S02 emis-sie voor deze fabriek op 600 - 700 ppm ligt, is dit

sys-teem niet in de beschnm'linçen op~enomen.

Het rrROP proces: TotalRecycle Oxygeen Process (fig. 21 ).

Een proces onder afvrezigheicl van stikstof heeft een

gun-stiger lie~ing van het evenwicht tot gevolg. Het hogere

zuurstofp€rcenta~e verhoof','t dus de konversiegraad (zie

eveneens tabel 6). Ook zonder tussenabsorptie is nu

na-genoeg kornnletc omzettin~ van het S02 moeelijk. Het gas,

dat nu de einde..bsorber verle..at, bestaat bijna uitslui-tend uit de komponent zuurstof, en wordt volledig

gere-cirkuleerd.

Het ~rote voordeel is, dat deze fabriek helema~l geen emissie v::m S02 en S03 geeft. Het nadeel is echter de

hoge kostenfaktor, die gepaard gaat aan de aanschaf én

I L , r ' I I L ,

[

:

r

l

J

~l

n

n

n

n

22

-- Het hoge druk proces (fig. 22).

Een hoge druk (ca. 40 atmosfeer) heeft eveneens een gun-stige invloed op de ligging va"1 het evenwicht. Indien eveneens tussenabsorptie vlOrdt toegepast, \lTordt de I00;6 konversie zeer dicht benaderd.

Het voordeel van de hoge druk methode is, dat de appara-tuur zeer klein kan zijn (ook bij lage S02 frakties in de voeding) bij een laag emissienivo aan S02.

Het nadeel is, dat de investeyingen onda~s de geringere afmetingen van de apparatuuy, toch zeer hoog zullen zijn \vegens de verhoogde kompressiekosten , en omdat de appara

-tuur bestendig moet zijn tegen deze hoge druk.

Tevens moet bedacht 'tlorden, dat de subroutine ENTH/I.L en

de kinetiekformules aangepast moeten \'lOrden.

De konklusie is, dat geen der hier boven vermelde proces-sen de handigste of de meest ekonomische oplossing is voor een zwavelzuurfabriek, die voldoe:t aan de door ons

gestelde eisen.

De(voorlopige) oplossing menen \ve afgeleid te hebben uit de komrentionele processen, met als toevoeging een tus-senabsorber voor S03.

I

VII.

[

_-, '

[

~

[

:

fi

!

I

rl

tJ

II

n

- 23

-Komnuterberekenipgen, ui t.n;aê.nde van f'lovlsheet IA en IB.

Besloten is om flowsheet 1A te eebruiken als basis voor het komputerpro5r~,mma. Ilanneer de ingan5sparameters gevarieerd

vlorden, kan allereerst de deugdeli jkheid van het flovlsheet aan

de hand van de ver,..rorven resultaten v,orden var:teesteld. Bli jkt het een bruikbaar ontwerp te zijn, dan kan eveneens een pro-gré'.mma gema2.kt "lorden van floVlsheet 1B, om een vereelijking van de mogelijkheden van beide ontwerpen te verkrijgen. Op deze vlijze kunnen de voor- en nadelen va.'11 het aam ... enden van eeu "quench" als koelmethode vlorden vastgesteld. Daarné:ast

moeten de resultaten het mogelijk maken, - vlanncer ze grafisch

weeree,~even zi jn -, om de optimale waé'.rden von de

ine;an,,:,:spara-meters zodanig vast te legsen, dat op de meest ekonomisehe

"ri jze aan de gestelde eisen kan ,·roTden veldaan.

In het komputerprogram:na \>lorden de volgende ineangspal~ameters

gevarieerd:

- De totale verblijfitijd van de voeding in de vi€::e bedden:

-r

tota?,l.

- De verblijf~tijd van de voeding in ieder bed afzonderlijke

Grafiek 111 (lit. 2 ) geeft een beeld. van'U fL2,L'3 onT4 bij

een vastgestelde waa.rele van

-c:

totaal.

De ingangstemperaturen in ieder bed. De grafieken12 tot en

met 15 (lit. 2 ) geven het verband aan tussen deze ingangs-temperaturen en de waé?,rde

V~l

T

totaal.

De keuze van "t"totaal legt dus tevens deze andere parameters

vast~

De absorptiepereentages van de S03 tussen- en eindabsorber. Aangezien deze absorptie bijna volledig is, is voor het per-centage van de eindabsorber

98

%

gekozen (vaste waarde). Voor de tussenabsorber is als richtlijn

95

%

absorptie a<ln5ehoud.en. Hel is de invloed naeegaan, d?,-t dit percentage op de S02 en de S03 er'1issie van de fi$briek heeft.

l

~

l.

[

:

r:

[~

[

[

f .

[

~

[

~

)'

l

·

~

[

r

1 I L 1 c l

l

j

.J.f" '-r ~~ l

1

'\.\ \} ~~

fl

n

n

24

--De ?'vTavel- en luchtflo\'T na8.r het fornuis.

De verhouding- zwavel/lucht bepaald de S02 fraktie in het voc-dingsgas. Aa.nt,;ezien de kapaci tei t van de fabriek een vastr~e­

stelde ~rootheid is, is de zvTavelflo"T konstant en "lordt de luchtflow aan~enast.

Ui tgaande van de toe~ekende v/aarden aan de in~angspar2.meters

berekent de komputer een aantal variabelen, \'I'elke sterk kos-tenbepalend zijn voor het proces:

-Het ,·mrmtev!isselend oDpervlak van iedere vTarmte~lissela;;.r.

-Het vereiste katalysatorvolume; deze grootheid is gekoppeld

a2.n een andere, n?menli,ik het reaktorvolume.

lDe "raterbehoefte v::m de eVnPor~dor, regelkoelers, enz. -De produktie as.n stoom (negatieve kosienfal-::tor).

Ook de grootheden, die de efficientie van het proces bepalen, krijgen een Haarde toec;e'neten:

-Het konversicpcrcenta~e over ieder bed.

-De frakties aan S02 en ~e3 in het schoorsteencas. Het pro-gramma berekent de temnere.tuur,druk, enthalpie én (le samenstellinG van iedere stroom.

Verder is het duidelijk, dat de luchtflow de grootte van de meeste elementen van de fabriek voor het belangerijkste deel bepaald.

De bovengenoemde variabelen worden alleen dan allemaal uit-geprint,wanneer de flowsheetberekeningen volledig beeindigd zijn; dit houdt in, dat ITER het flowsheet konvergent heeft bevonden.

In beginsel is besloten het onderstaande reke~schema uit te voeren. Het uit~an~spunt is geweest, dat steeds minimaal drie punten vereist zijn, om grafische vrcergave van ele re::ml taten mor,-e;\lijk te m-::ken.

J

[

~

[

l

~

n

~l

n

n

n

n

n

n

25

-I

r;

Flmo,sheet LA. / 0 _ _ _

r-

-

:~~

-

di

-

nt;

_--

_-

_r

_--

_-

Ot

u:~

ana

b"orp~

i

;:--T

---I

_o ______

~~

-

~c:~

~:o-

--

-~.-

_0 __

J

I

S02 fra~tic I ahsorntiepercent3o~e 1.0 I 0.8 i 0.6 ; 0.5 ! 0.<1

i

,-

---

0

-

.

-

07

--- --

1

---

95 x x

I

x 1

-

-;

-~--

;--

1

0.035

0.1

0

l

~ _____ o__ ___ __ _ __ _ _ _ 90

98

95 95 90

9

8

x x x x x 1 x

I

x x

:

I

:

x x x x x

I

x

_~

_x

__ 1 _ _ _

I

---

~~

-

e~:~

~

---o---

t~s~enahs~;n

~~~

--

l

~:

---

~~~~-=-

~~

-

~~

-

;

l

-._

-~-~=-:

-

-==

-l

r

O~o~~

l<~--

__

a

bsor~~

i

e;;~:

_

"

n

tag_e

-

~

--

~~

t-

~~

-

I

0

~lO

}-

i

0:

=

-j

_

I

0.10 95 x

I

x

i

x

I

Ä X

I

I

90 x

I

\1 x

I

x

I

i

98 x x

I

x

I

I

0.13 95 x x

I

x x I 90 x

1:-:1

I

~

98 x

~

_

L_~

2. , Resultaten

Dit proeramma is slechts voor een deel afgewerkt. Oorzaak hiervan h'as de gevoeligheid van het eerste deel van de fa-briek voor veranderingen in voedingssamenstelling.

Achteraf bleek, dat een deel van de resultaten niet conver-gent was door een verkeerde aansluiting van ITER. Door met de hand convergentiecriteria na te rekenen, was het m0gelijk die resul ta ten, nauwkeuriger dan O. 4%, terz~ide te leggen en t e gebruiken voor verwerking.

~

!.

t

i

I l _

l:

[

:

f

:

fl

l

J

o

n

n

n

I

l - 26

-De resultaten zijn ook noe ~ekorri~eerd, omdat er in de invo~r

Ei'n in de module An30HP fouten W2rcn gemaakt:

-UitGaande van een vaste daç~(A.paciteit, moet bij het instellen

V8,n hO'iere S02 frakties in de voedin,~ d:>.n O.O?, de luchtfloN' For":

den é'.é'.nr:;epast. In plaats van de luchtflovl Herd echter de

zVT2.vel-flow aangen~8t, waardoor de waarden van het katalysatorvolum~

en de stoor.produktie onjuist Haren.

Alleen het katalysatorvolume was eenvoudig te korrigeren.

-\[et'Sens de fout in de moduló AB30RP (zie paGina 29) vTas er geen

i

verband te ontdekken tussen de S02 fraktie in het

schoorsteen-gas (in ppm) en de \'laarden van de in,3"an,çsvariabelen.

Nadat de 302 fraktie eveneens gekor é'igeercl vlaS, werden de

volgen-de resultaten verwerkt:

Flo,'fSheet IA

I,

so;-

--r

l

-~

b~

-

.

r--~~;~

--

[Vk~t~l

lhTarmte1'l.

!

stOOI~

i

S02 gehalte

I

%

i 3 ! 2 i / I

I

.'::f'raktl· '" I 1 ... m ' ol - '-' i _{__ _ _}i:) _{__} m I I m s ppm I __~ ___________ ;~ _ ... _______ ~ ________________ I 0.07

I

95

I

0.8

I

203 I 8350 3053

i

47 1

I

0.6 153 9800 51

!

I

0.5 129 9160 66 0.085 90 98 95 0.010 95

---

J

-_.-0.4 1.0 1.0 1.0 0.6 105 250 250 210 124 1.0 175 0.8 140 0.6 110

-

~~L~~

9250 8500 8960 x 6220 x x x 9080 3161 i

I

3050 77 63 24 82 93 149 167 200 270 - - - -- - - " - - - "- - - l

De flowsheetberekening was nog niet beeindigd; het flowsheet

I ' r ' L ,

r:

[

~

I ,

n

[1

n

n

- 27 -Flowsheet 13

abs. tot. Vkat. A\.mrmteJstoom

I

302 --gehal

t~-

:

101 , 3 , 2

j

I 1 fraktie

%

s ' m

I

m : mol s I ppm L_·_-··--·.··-i· .. _ -. __ . ._-_. --_ ., _______ ._J __ .• _ _ _ _ _ _ _ _ L.. _._. _ _ . _ _

1..

____

.

_.

__

.

__ .

i ! 0.6 177 ! 7205 : 3092 I, 25

I

0.07

i

95

I

0.10

i

95 1 .0 297 8125 3065

I

,

I

I I 0.8 240 11000 I' 144 ! I

!

I

0 • 6 1 77 11 500

I

1 11 9

I

1

o.

5 1 50 11340 146

L

-

_J

~o

__

~~5

j

15

0

_

_L

~o~~~_

~

.

___

1 ____

26=___

3.· Diskussie de!' Tesu' taten.

7

De moeilijJ~eden, die werden ondervonden bij het konvergent

krij-gen van het flowsheet,waren reeds een indikatie,dat onze keuze niet de meest ideale was. H t e vas tI egGen v n a. een " ~+~no-,),_ ~. '.1 (~e,,~,rr~e .,

-ratuurkeuze, waarbij het flowsheet konvergent wordt) be!nvloedt nl •

• ~' 0"\

J het HarmtevTÏsselenà.e o9pervlak • Kleine veranderin~en in de

in-ganssv9.riabelen h.llnnen tot gevol. c; hebben, dat de berekende

temne-raturen voor de verschillende stromen sterk vari~ren in de konver-gente flo"lsheets, vraardoor de dri jvende kracht in de

lrarmtevlisse-relatief sterk wordt gewijzi~d.

De grote oppervlakken der warmtewisselaars (hoewel vergelijkin~s­ materiaal ontbreekt) maken duirlelijk, dat het ontvler9 veranderd moet ""orden in die zin, dat er grotere drijvende krachten in de warmteHisselaars ontsta".n. 8en temperatuurverandering in één van de(nroces)stromen heeft dan relatief weini~ invloed on de drijven-de kracht.

Bovendien zijn er noç een anntal andere aanpassingen vereist~ De grnfieken uit het verslag van HennemPlnjVerkoyen, die het ver-band tussen de totale verblijf,tijd en de verblijf~tijd én de optimale ingangstemperatuur in ieder bed afzonderlijk aangeven, bH jkt slechts geldig" te zi jn voor een S02 fraktie van 0.07 in een systeem zonder 'quench', en bij de kapaciteit van 600 kmol

r . l.

r:

r:

n

l

J

n

[1

n

n

I

I - 28

-Indien He met af\~i jkende omstandigheden te maken hebben,

dan merken He, dat in de katalysatorbedden 6f het evem-richt

nog niet bereikt is (behoorlijke konversieverandering aan

het eind van het bed), 6f dat reeds (ver) voor het uittre-den uit het bed het evenwicht nagenoeG bereikt is.

Voorts heeft het absor-ptiepercentage der tussenabsorber in-vloed op de konversie(snelheid) in BED-4. De invoer-parame -ters T1 tot en met T4 en'L1 tot en rnet''C4 moeten daarom door middel van schattingen \vorden benaderd.

Bij S02 frakties, die hoger zijn dan 0.10,isde regelkapaci-teit van het 'by-pass-systeem' (3.14 - M15) ontoereikend. om de temperatuuraanpassing voor BED-1 te verzorgen. Dit systeem

is daarom vervangen door een _tevens ecnvoudi~er fungerend

systeem, namenlijk injektie met koude lucht (queneh M-14).

De grootte van de ge!i.njekteerde luchtflo'tl \wrdt door de

kom-puter berekend; de S02 fraktie in de tctale v08dingsflo'\.;r ~ (dus inklusief de geïnjekteerde hoeveelheden) kan daarom niet he-lemaal exakt worden gekozen.

(5.14 c, MIS" Gta2n afgebeeld in de figuren A en B op blz. 19 en

r '

r:

r :

f1

rl

n

n

n

n

I'

I

-

29

-VIII. Wijzigingen in de modules.

EXEC-1: Hierin vlordt aangegeven, welke stromen geknipt moeten worden om met zo min mogelijk schattingen t.b.v. de berekeningen te

kunnen volstaan.

Voegt men aan EXEC-1 echter een diskontinue funktie toe, - de

control unit - dan wordt de bruükbaarheid der resultaten

Ran-getast. Er wordt aandacht geschonken aan loops, die niet ko n-tinu aam!ezig zijn, maar die "sporadisch" in het systeem voorkomen.

Daarom is niet de rekel:volgorde van EXEC~1 ingevoerd in EXEC":'2, maar de rekenvolgorde, die het meest logisch voorkwam.

ENTHAL: De basüopzet van di t progra.rm:1a bleek principieel niet te

kloppen. Hiervoor ontbrak in ENT een deel, dat de Cp-formules

kon integreren, waardoor de enthalpie steeds bij de waa1.'de van Cp bij de hoogste temperatuur werd bepaald.

In he t r,ewij zigde progTarl'lna vlJrden de Cp-formllles korrekt

ge-integreerd en worden zowel verdaD}Jings- als smeltwar:rrte meegenomen in de berekening. (Zie blokschema.: fiG' 24)

Hierdoor bleak een behoefte te bestaan aan andere kcnstanten

voor de warmteinhoud van he t 30

3-gas, dan welke in i'.:ei jer

(lit.1 ) verr.leld staan.

Met behulp van de gegevens uit Stockmeijer (lit. 16) zijn

deze waarden afgeleid met de methode van de kleinste kwadraten. ABSORP: Behoudens voor 303' vond er geen overdracht van

destroomge-gevens plaats. Hierdoor maakte he t prograrnma gebruik van de

geschatte w&arden, die als invoergegevens waren toegevoegd.

Het gevolg was, dat het S02-percentage in het schoorsteengas slechts weinig varieerde. lIet oors;)ron~~elijk8 .::":SSC:CP pro.;ru.~":1:::'

, . I l..J

l:

[:

f '

l

I l J

[1

n

n

I '

l

30

-~.lIXER: Hier werd het foutmeldingskri teriuTII voor ongelijkheid van

de drukken verruimd van 0,01 naar 0,1 atmosfeer, omdat de druk in dit flowsheet geen belangrijke rol speelt. Zodoende

wordt het rekenwerk niet onderbroken.

Voorts bleek, dat in de lines 37 en 38 een 1 in rIaats van

een I was getypt in de SPECM-formules. Deze fout was lastig van nar-d, omdat deze geen invloed had in de eerste iteratie

(1), maar in de volgende iteraties aanleiding gaf tot niét konvergeren der berekeningen. In de eerste berekening trad

een onnauwkeurigheid op, die in de ordegrootte lag van de

tolerantie van ITER - zoals deze oorspronkelijk werd gekozen

-zodat deze fout pas na nauwkeurig rekenen aan het licht kwam. I TER: De unit, die aanvankelijk werd gebruikt, re ageerde sleehts

op een meetkundige reeks als konvergentiekriterium. In dit flowsheet verloopt de konvergentie echter niet vol~ens een meetkundige reeks, waardoor lTER ongeschikt bleek.

Om het beschikbare ITER (met bijbehorend EXEC, BLOCK, DATA,

PHAS~ en LAST) te blijven hanteren, is h,et CO!I].ON/PUBLIC

aangepast. De aanpassing betrof geen essentHHe paremeters. OUTPUT werd uitgebreid met een systeem, dat er zorg voor droeg dat maar één van de zes iteratiestapjes werd afgedrukt, wat een belangrijke besparing in het aantal lines betekent. I~et het zelfde doel voor ogen werden ui t HEEX en r.:rXER een

i I i

I

/ / / ! ' I l _ ( , I '

I .

o

[J

iJ

o

o

n

n

u

~

1

: 1 l

I

11

'1 : 1 1 I r 1

,

, I , L.-[ , \ l •

[

:

[ '

l .

[1

,1 1

j

[1

n

n

- 31

-IX. Evaluatie na~r de flowsheet3 IIA en lIB.

Wegens de bevindingen uit de resultaten zi~n ~eflowsheets

ge~ve.llleerd tot de flovlsheets IIA (Cluench methode) en IIB

(warmtewisseling allé~n via warmtewisselaars). De oorspron-kelijke flowsheets hebben ook geen duidelijk beeld kunnen geven van de voor- en de nadelen van het gebruik van een

'quench', vam-Jege de onzekerheden, die in de reoul taten scholen. Daarom worden opnieuw beide uitvoeringen ~etest.

C' ... ""t"\:" .. ~(l1 14~

D~<resultaten maakten het ónmogelijk, om de ingansspara-meters te optimaliseren; wél verschaften zij voldoende grond, om de ontwerpen af te keuren.

In de aangepaste flowsheets wordt het voedinGsg~s niet meer zo ver gekoeld in de verdamper (nu tot ca. 650 K: vergelijk het 'hot food system' in fig. 18 ), maar het ver-dampingsketel voedingsHê.ter treedt nu binnen bij een veel hogere temperatuur, omdat door middel van dit voedings ua-ter energie wordt teruggewonnen in de warmtewissela~rs

HE - 2 en F.E - 6; dit zijn nu \·,aterkoelers geviorden.

Met de introduktie van deze vlaterkoelers veranderd er niets vlBzenlijks, \-mnt aan de gestelde principes wordt nog steeds voldaan:

Er wordt g6~n grotere dosis koelwater gevraagd, want al het water uit de waterkoelers wordt benut in de ver-de.mpingsketel.

Omdat het voedingswater met een hogere enthalpie binnen-treedt, blijft de stoomproduktie toch nagenoeg op het zelfde peil,. zodrd de proccS\varmte toch nog zo optimaal mogelijk vlordt benut.

De grote voordelen van deze niem'T8 methode zijn:

De drijvende krachten in de warmtewisselaars worden veel groter, het,~een een sterke besparing aê.n vlarmte\ásselend oppervlak inhoud.

( ,

L,

[ ,

L

[

~

r:

I'

L ,

[l

fl

32

-Bij vloeistof/gas kontakt is de overall

>'i'armteoverdrachts-kogffici~nt veel grotèr dan bij gas/gas kontakt, zodat

deze '-7aterkoelers zonder meer al een sterke reduktie in warmtevlisselenci oppervla.k inhouden ten opzichte van de oorspronkelijk gebruikte warmtewisselaars.

De regelbaarheid van het proces wordt vergroot.

D"

Bovendien ma.ken de a::mpassineen vanV_{temperatuurre.'pllatie}

voor BMD-1 en de benadering van de optimale ingan~stempe­ raturen en bedlenr;tes va.n de katalysn.torbecicienhet mogelijk, dat hogere 302 frakties in de voeding worden 3ebruikt.

Het aan~epaste reken!>rogramma bli jkt \-fel zonder problemen

te konvcr{~eren. De zelfde ingangsP2.rameters worden

gev2.ri-eerd, waaraan ~ekoppeld de bedlengtes en de in~an~stemper2.tu­ ren worden veranderd.

Van deze fabrieken .lillen Vle achterecnvol~ens bepalen:

Tot "lelk percentage aan S02 i;J. het voedinr,-sg2.s (le fabriek noe goed regelbaar is.

Helke kombinatie van ingangsparameters een S02 emisz:i.eni-vo van 200 ppm veroorzaken.

De '2.fm~tingen' van de fabriekselementen als funkti6 van

de ingangsp~rameters.

De meest ekonomische kombinatie der ing,mssparameters bij het gestelde emissienivo van 200 ppm.

De invloed van het absorptiepercentage op dit emissienivo

(bepalend voor de afmetingen der absor~tietorens) . De totale investeringskosten.

De prijs per produkteenheid (ton z'·!2.vclzuur).

Een vergelijking tussen de kosten en de 'prestaties' van

een f2.briek met een 'quench I en (;en fabriek mf~t ui

I I

L

r .

[

, [~ ,

r~

r

,

[

."

,. J' l

n

n

I'

H H ~ .~. I IJ

1

ie

_.

_.

j .... ~ j _I

'"

I I I ! , J ' . , I. I , , ---:=--7 b~ ..:10

-t.>J cr-....

CO

, I

---

.

I

"1

1 Q ~. -- ,-"" .-~~ qÎ ,.j <> .. ' ~.l iIl..

:I>

L

P

" lJ.1 v' -'" ....

_3

-

-!l U1 : ... _.. ~.,:

-...

y

~ ,1 -~ v' ~ ie.. r'", 1 ,

.

.

.:. I ·t -i .. -"-(J>'

/-,

'

_

....

"

--'> -;: -~ 11:

--

_,j'"

~

~

, .,' 11: I

"

"

-

... fr-r'" ,.) _I Ij

I

I

I

-

-1

' .

l

l

l

.

[

~

l :

[

:

[l

n

n

n

r~

l

, "

-

!,' 11\ IJ (: '---' 4

~

.' " -F \.) -...,. ' . .-! --] .... ;

,.

,

-(..~:

,

,.

--

-"I' ~-I.! >:rj >lj H t-<

~

9-_-!., Vl ::u _tE Cl t~j 1-3 H H tJj t .~.~ ..J r ! ) .' , -f-I " f'

,

1

-

,

.' _{tt_} .' -i',l ... '

-.. ' ,

ty,

, r ,

.

.? .. ' , "7 I I~ ('

.

.

-,

.

'

~

...

_r-:.., , .... _-r . '

,"

LD .. ,..' t

-

34

-~ tJ v- -·d t

-l~

'r-{ l,1

,

. .

-

.

...

-... ~, ':.

rn

IY,

4 ' -

..

,.Jo ,..' -, ~'J .. ~

.

.., .f\ V' ,[, , 4 ..

-

-

IL

L

IJ t" :J~ ~ 0" (')', Vl -.;.J _L"

Î

_.L

J,

"--:-t

-:ç:

LL

.e

..,.. I 0 I I L"

I

-

_... I / .;,.... , -I _/

-l

0 '

-'-'1 W

CD

j:

-.1:

, , I 1 l , ( , I

l .

L

L

L

[

'

~

r-)j' )

r

~

1

'vv~

_/J

\,.te.

)<

.

I '

J2;..r' l ,

f '

r

I'

l,

l,

n

n

~

n

f1

r

r

l

- 35 -1. Rerml taten

Aanzezien er nu bij de berekenin~en geen moeilijkheden

on-dervonden werden, kon het globaal op~estelde schemR zonder

problemen ,·:orden af ,,;,e1'1erkt • Hieronder volgen de resul tate!1

ui de uitvoer, met een namV'keuri~heid van groter dan 0.11~: Flo\'Tsheet IIA

.. ,,'. ---I ... -- .-.,,-- - - .. -'.-

--

J

'-

.-

--

-

.

. -

"~---r--" ... -" " - - " -1

I

abs. tot. A "'''I.Vl. A \ ... 1. gas ! Vkat.

~I

stoom S02uit !

I

"

2 2

I

3 .

i

fraktie

I

.

fU . •..

~

.:. __ . __

~

_

_

_

_

.

m

--J.

~

-

'.

m

~~/

s

pp~

I I I I i S02 6.091 0.097 0.103 0.109 0.121

I

95

i

0.8 90 2310 !16 5. 0

i

2654 76 1

I

x x Ix

I

91 1 79 2130 114503

I

2679 118 0.089 .95 90 0.092 98 0.109 i 95

I

0.092

!

95

0.6 x 73 93 94 88 75 89 89 x 1440 2760 2760 2175 1560 2330 2350 x 126.8

,

j'12

3.

:

i 122.ö I 1119 •8 101.5 58.1 2728 2674 2673 2658 2709 200,. ""0 '167 590 39 192 51 211 127 285

~

L

95

_{--~--~---~---_4----~-----L} ---Flovlsheet TTR.

802

I

tot.

I

A WH. vI. Avn'1. gas Vkat. stoom S02uit i

frakt i

e

_

~I

__ %_-1! __ s_-+I ___ m_2 ___ f--_m_Z _ _ -+_m_3_-+_m_o_l_/_S--l-_p_p_m __ I

0.093 95 0.8 ', 12·1.2 O. 1 01 i

I

1 1 9 • 1 0.112

I

107.9 0.102 0.·108 0.126 0.103 0.113

I

6*

i

95 I

o

.

118.8

I

1

:!

:~

1

I

1

95

i

0.4

I

119.3

_.-J ____

L

107. 7 2375 2300 1895 2170 2050 1670 155.0 152.6 2834 137.8 2843 113.5 2833 107.0 2826 2843 92 109 157 106 163 366

I

93.3 2170

I

76.0 2842 179 1,_8._9)_'

_-11

__

70~

_

2

_

8

.

4

_

3

__"__

27

_

8

__ _

l

r

[

,

[

:

\ ' l,

~.

o

n

n

n

- 36 -2. Gr~1iscte vc~~er%in~.

De resultaten maken het mogelijk, om voor beide flowsheets grafisch het verband te leggen tussen de verschillende pa-rameters:

De 302 fraktie en de 302 emissie in ppm bij konstante \-laar-den van de totale verblijfstijd

(6.4,

0.6 en 0.8 sekonde); de ~rafi eken 16 em

7

•

Uit deze grafiekenkan men een aantal kombinaties van to-taal met een 302 fraktie konstrueren, die een emissie van 200 ppm ~02 veroorzaken.

De totale verblijfstijd en de 302 emissie in ppm bij kon-stante waarden van de 302 fraktie (0.092 en 0.109; 0.102 en 0.112), afeebeeld in do grafieken 18 en 19.

Omdat er in deze flowsheets luchtinjektie plaatsvindt, valt de exakte 302 fraktie niet in te stellen, w61 bijna

overeenkomsti~e frakties. Met behulp van de ~rafiekenj~

en '1 kan de 302 emissie toch gekorrigeerd worden voor verschillende "marden van 'Ctotaal bij een konstant p'e

-maakte 302 fraktie in het voedinesgas~interpo12tie).

Uit deze erafieken kunnen eveneens kombinaties vC'.n '"('to-taal en een S02 fraktie Horden gekonstrueerä., dio een

emissie van 280 ppm aan 302 veroorzaken.

De totale vorbli jf .. ti jd en de S02 fraktie in de voeà.in~

bij een emissienivo van 200 ppm in de voedin~, eh bij een absorntiepercentage v~n 95

%

303 ir de tussenabsor-ber en van 98

%

303 in de eindabsorber.

Indien het ab::orbtiel)ercentê.,~e van de tussenabsorber

ho-.<;er is dan 95;~, dan ligt de lijn meer naar links in de

on

erafiek; is de absorptieVVolledir,er, d~n ligt de lijn meer naar rechts, rr.aar zij behouden pr8.ktisch de zelfde vorm (.",T2.fieken 20 en 2~:. ).

De 302 emissie (nnm) en het ê.,bsorptienercent2~e van de b u'senaèfl()J'bcr bi j konsté'.~t.P. "Je ;-;rdcn vr:.n

""C"t

ot. <'l.a 1 en v:-:.n

r'!.c 802 fJ'2.ktie in de voc(lin~, ~.feehceld inn;rafiek 22

Dit verb:>nd blijkt redelijk liniair te zi,in, vandaar da.t de VOrf(, van de f;rafieken 20 on21 niet zr..1 tdj7i,o:en bi ,i

bij afvijkende ahsorptiepercont~n;es v~n

95%

(binnen

ze-kere r;r0.nzen). [ I

i

I

!

i

I

I

'

; I

l , l _

n

n

n

n

n

37

-Het warmtewisselend oDnervlak vpn de ~as/gas en de vl/~~s

Har!"1teHis~ela8.!'s en ele l-.:or1bin"ties v[m de totRle verbl:.i_.if~­ tijd met de 302 frRktie, die een emissie van 200 pnm S02

veroorzf1ken, afp:ebeeld in ele ~r;"1fieken 23 en 24.

Het vereiAte katalysatorvolume en de totale verblijfstijd i!l de reaktor bij konstante \vaarden van de 302 fraktie,

af-r;eheeld in de ,c:;rafieken

25

en 26.

De kosten van de reaktor en het katalysatorvolume uit een

r;eschat reaktorvolume, en via he~ artikel over de

kosten-kplkulatie (lit.17); grafiek42.

De investerin~skosten in de reaktor ~n in het warmtewis-selende oppervlak en de kombinatie van de totale verblijfs-tijd in de reaktor met de waarde van de S02 fraktie in de

voeding, die een emissje van 200 ppm S02 veroorzaken, afge-beeld in de gr8fieken 43 en 44.

het totale investerinF,sbedrag, dat varieert: met de kom bi-natie van de totale verblijf~tijd met de 502 fraktie, die een emissie van 200 ppm S02 veroorzaken, en de boven

-genoemde gekoppelde parameters, afgebeeld in de Grafieken

45 en46.

Deze grafieken leveren die Haarden van-Ctotaal en de S02 fraktie, \-ra""crbi j de investeringen het htaç;st zi jn, ter\'li j 1 aan de emissie eis wordt voldaan, -indien het

absorptiepor-centage van de tussenabsorber minimaal 95'1.1 bedraagd, hetgeen

reeds voor niet al te lange absorptiet6rens een eis~is, waar zeer eenvoudig aan volda2.n kan worden.

[ ,

L

n

fl

n

o

n

n

n

38

-X. De ontimale waCl.rden der par?meters voor de eeschikt bevon-den

n

o~'Rheets.

De S02 fraktie in ~e voerling

De totde verblijf!"tijd: ~ totélP.l De verbli jfflti .i(l in bed 1: ""(1

bed 2:

-r2

bed 3:

TI

ben. 4: 1'"'4 De in~~n~~tcmneratuur in bed 1 : T1 bed 2: T2 bed 3 :~'T3 bed

4:

T4

KonvcrGiepercent~~e in bed 1 : l1

bed 2: (2 bed 3: !3 bed

4:

t4

De totnle konversie aan 302: !tota~l

Absorptiepcrcenta~e der tussenabsorber Absor9tieperccntBge van de eindabsorber Totale kat alysntorvolume: V kat.

Oppervlak van warmtewisselaar HE-2 Hl~-3 HE-6

Hl~-8

Stoomnroduktie in de eva.noré1tor Luchtfloi'l naar het fornuis

Lnd:'tinjektie in I·!-Î 4 (ter.1T' .!'e ... n' ~t';!,» Luchtin.iektie in M-6 (I auench I)

Zw:welflol\1 SO,)-r:misf':ie

S03 -emissie

floHsheeti flO\\'she~f di- "

I IIA

I

IIB _imenSi:i

0.103

I

O.1135 !

I

O.~OO O.~OO S I ').200 0.290 ,19 ti !:77 /:28 416

46.9

4'( oLl

8

1.8

96.,1

99.

8

26

95

98

HP-. 3

76.5

494 i 155 1 ('175 0.0..10 S

o.oa5

S 9.105 s 0.230 _, s 497

i

O C 474

oe

457 Or-u L1 ?t:.,.x .~.;

oe

5,3.6 >s 67.0 -'1 _.; 68.0 '1~ 96.2 i'?

99.

83,1

j~ , ' 0 -,,) '~:

93

%

103.9 m 2 2 87.5

I

m 2 713 1 m

20xxl

m:

1283

I

m 28111

I

r.!oll S !

Imol/s

I I

I

1 ! 140 1445 192

_lm

_Ol

_/

_S

I

500 imo1/s 167 167

I

mol/!'";

I

194 194

I

nn~

I

208 214 j !,pm

I

_~_ .. ___ . ___ , _____ • . ~ .. t. .. ____ __ ,

; 1 I L _ j , L _

r:

n

[1

n

n

x xx

38A

-Deze \<lé!.arde voor de ingan~stemperatuur in BED-4 is niet helemaal juisti de beste keuze ligt bij ca. 418

oe.

Hegens een iets te lage uitgangstemperatuur van BED-4

(zie x), is de drijvende kracht in deze warmtewisselaar iets lager dan hij bij de optimale Haarden zou moeten

zijn; l:et vrarmtet·risselend oppervlak voor Hj2;EX-8 is hier dan ook iets te hoop'. In de kostenkalkulatie is daarom di' waarde voor het warmtewisselende oppervlak genomen, die uit de grafiek (24) valt af te leiden bij een S02 fraktie VB.n 0.113 à 0.114.

[

L

[

r

r:

f :

r

1

L

n

n

n

n

fl

n

r

! - 39

-XI. Investerin.c;skoflten p,nno 197~· bi,; de bouw van een zwa velzuur-fabriek met een k~naciteit. van 1500 ton/dag.

De berekeningsmethode voor kost en indexering wordt gegeven door K.M. Gut'î-ie (lit. 17 ). Voor zover de gegevens niet toereikend \>Tê,ren, \.;erd aanvulling gezocht in praktijkp'; e-gevens en door middel van schattingen.

Basisgegevens:

De kapaciteit van de fabriek bedraaet 600 lmlol omgezet S02 per uur.

De druk in de installatie bedraagt 1 - 2 atmosfeer. De grondstof is zuiver zvlavel.

De meeste gegevens over de basiskosten (kale prijs) van een fabriekselement , dateren uit medio 1968. Deze prijzen \-Torden

gekorrigeerd met de z~g. "indexfaktór".

De onhvaarding Hordt op 10% per jaar gesteld; de indexfak"tor is dan

(1.10)7

=

ca.

2p

voor medio

1975.

10 Berekening van de aparte elementen der fabriek. In deze prijs zitten inbegrepen:

Basiskosten van het element.

Materiaalkosten voor kleine utillages, instrumenten~

isolatie, verf, elektrische uitrusting, kleine pijpjes, enz.

Aanlegkosten.

Indirekte kosten: belastingen, royalties, construction overhead, engineering,costs.