•
•
•
•
•
•
•
•
FVO Nr 3013
Vakgroep Chemische Procestechnologie
Verslag behorende
bij het fabrieksvoorontwerp
van
M. Hermus en G. EIst
Onderwerp :
Rejuvenatieproces voor
Hydrodemetallisatiekatalysatoren
Adres:
M.
Hermus
G. EIst
l;'i}~i(
T
U
Delft
Technische Universiteit Delft
Dr: Schaepmanstr 55 Nw. Langendijk 68a
Delft
Delft
Opdrachtdatum : Febr 1993
Verslagdatum
:
Dec 1993
•
•
•
•
•
•
•
FVO Nr 3013
Vakgroep Chemische Procestechnologie
Verslag behorende
bij het fabrieksvoorontwerp
van
M. Hermus en G. EIst
Onderwerp:
Rejuvenatieproces voor
Hydrodemetallisatiekatalysatoren
Adres: M. Hermus
G. EIst
DL
Schaepmanstr 55 Nw. Langendijk 68a
Delli
Delli
Opdnichtdatum : Febr 1993
Verslagdatum : Dec 1993
•
•
•
•
•
•
•
•
SAMENVATTINGIn dit Fabrieksvoorontwerp wordt een proces voor de rejuvenatie van een HDM-katalysator beschreven. Het proces in ontworpen voor het verwerken van 1 ton HDM katalysator per dag. Dit is gebaseerd op de hydrodemetallisatie van 3500 ton Arabian Heavy Vacuum Residue (AHVR) per dag. Het op de katalysator aanwezige vanadium wordt teruggewonnen als waardevol vanadium pentoxide.
Het proces heeft een semi-continu karakter en is onderverdeeld in vijf secties:
1. Katalysator voorbereidingssectie :
In deze sectie wordt alle olie en zwavel van de katalysator verwijderd. De katalysator wordt vervolgens afgekoeld en in een silo opgeslagen.
2. Slipstroomsectie :
Eén vierde van de katalysatorstroom wordt ontdaan van op de katalysator aanwezige cokes. Na afkoelen wordt ze in een silo opgeslagen.
3. Extractiesectie :
Deze stap gebeurt batchgewijs. Door extractie met zwavelzuur oplossingen wordt 60 %
van het nikkel en 94 % van het vanadium van de katalysator verwijderd. De extractievloei-stof wordt in een geroerd vat opgeslagen. De katalysator gaat naar een droger.
4. Oxidatiesectie
+
filtratie:In de eerste oxidatiestap wordt het driewaardig vanadium met lucht geoxideerd tot vierwaardig vanadium. In de tweede oxidatiestap wordt 6/7 deel van het vierwaardig vanadium met een zware overmaat zuurstof geoxideerd tot vijfwaardig vanadium. Hierbij ontstaat een vaste stof met de bruto samenstelling van corvusiet. Het corvusiet stof wordt afgefiltreerd, en bevat nog 10 wt. % water.
5. Droogsectie + classificatie:
De katalysator wordt in gefluïdiseerde toestand gedroogd tot 0.5 wt. % water. In een classificatie inrichting worden alle gebroken deeltjes, en deeltjes die niet rond genoeg zijn, verwijderd.
De totale investering van deze fabriek bedraagt MDFL 13.42. Dit is het gemiddelde van de investeringen berekend met de methode van Taylor en de methode van Zevnik-Buchanan.
De 'pay-out time' (POT) en de return of investment (ROl) bedragen resp. 3.54 jaar en 10.3 %. De internal rate of return (IRR) bedraagt 14.2 %.
Aangetoond is dat het loont om de katalysator zelf te regenereren. Er ZIJn echter problemen met afvalstromen.
•
INHOUDSOPGA VE
•
1. Inleiding 12. Uitgangspunten van het proces 2
•
2.1
Specificatie fabrieksvoorontwerp HYCON2
2.2
Capaciteit van het rejuvenatieproces 32.3
Specificatie van grond- en hulpstoffen3
2.4
Specificatie van produkten4
2.5
Afvalstromen4
•
2.6
Fysische constanten van gronstoffen en5
eindprodukten
2.7
Veiligheidsaspecten5
3. Beschrijving van het proces 7
•
3.1
Katal ysator voorbereidingssectie 73.2
Slipstroom sectie 73.3
Extractie sectie 83.4
Oxidatie en filtratie sectie 8•
3.5
Droogsectie en classificatie9
3.6
Flexibiliteit van het proces9
3.7
Opstarten van het proces9
4. Procescondities 10
•
4.1
Chemie 104.2
Thermodynamica10
4.3
Kinetiek 105. Motivering keuze apparatuur en berekening 12 apparatuur
5.1
Specificatie katalysator12
5.2
Olie en zwavel verwijdering12
5.3
Fornuis 13•
5.4
Cokes verwijdering 135.5
Koeler14
5.6
Extractie14
5.7
Droger15
5.8
Eerste oxidatiestap16
..
5.9
Tweede oxidatiestap16
5.10
Vacuum filtratie17
5.11 Warmtewisselaars, pompen, compressoren en
18
cyclonen•
6. Massa- en warmtebalansen 19•
7. Overzicht specificatie apparatuur 37
•
8. Economische beschouwingen 488.1 Inleiding 48
8.2 Produktie afhankelijke kosten 49
8.3 Semi-variabele kosten 49
•
8.4 Investeringsafhankelijke kosten 51 8.4.1 De Zevnik-Buchanan methode 518.4.2 De Taylor methode 53
8.4.3 Berekening investeringsafuankelijke kosten 53
8.5 Totale kosten 54
•
8.6 Afschri jvingen 548.7 Economische criteria 55
8.7.1 Statische methoden 55
8.7.2 Dynamische methoden 56
8.8 Conclusie economische beschouwingen 57
•
9. Algemene conclusies58
10. Symbolenlijst 59
•
11. Literatuurlijst 6212. Bijlagen 64
Bijlage 1 : Berekening reactie-enthalpie
•
Bijlage 2 : DrogerBijlage 3 : Samenstelling, dichtheid en
warmtecapaciteit van de kat in het proces
Bijlage 4 : Olie/zwavel verwijdering
•
Bijlage 5 : FornuisBijlage 6 : Cokes verwijdering Bijlage 7 : Koeler Bijlage 8 : Extractie Bijlage 9 : Oxidatie I
•
Bijlage 10: Oxidatie II Bijlage 11: Vacuumfiltratie Bijlage 12: Warmtewisselaars Bijlage 13: Pompen Bijlage 14: Compressoren Bijlage 15: Cycloon•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
1. INLEIDING
Gezien de stijgende vraag naar transportbrandstoffen, is het begrijpelijk dat tegenwoordig steeds meer getracht wordt om de zwaardere componenten van de ruwe aardolie, met een lage waarde, om te zetten in lichtere componenten met een hogere marktwaarde.
De omzetting van zware naar lichtere componenten kan langs twee wegen bereikt worden. Eén methode is die van de koolstofverwijdering uit de zware fracties, de andere is de verhoging van het waterstofgehalte in het product. Voorbeelden van de eerste methode zijn het fluid coking proces, het delayed coking proces en het Flexicoking proces van Esso dat een variant is op het fluid coking.
Verhoging van het waterstofgehalte door behandeling van het residu met waterstof is de methode die gebruikt wordt in het HYCON proces van Shell. Hierbij kunnen residuen met een zeer hoog gehalte aan metalen (voornamelijk Vanadium en Nikkel) en een hoog zwavelgehalte behandeld worden.
Het proces is opgebouwd uit twee opeenvolgende stappen. De eerste stap bestaat uit een katalytische hydrodemetallisering (HDM) van het residu door behandeling met water-stof. Deze stap is noodzakelijk om de katalysator die gebruikt wordt in de vervolgstap, de hydrodesulfurisatie (HDS), te beschermen tegen de activering door deze metalen. Om te voorkomen dat het proces moet worden stil gelegd zodra de HDM katalysator moet worden vervangen, wordt deze stap continu uitgevoerd in een bunkerflow reactor. Bij dit type reactor beweegt de katalysator zich van boven naar beneden door de reactor om vervolgens, na scheiding van de andere fasen, verwi' de d te worden.
Aangezien per ton residu tot maximaal 2. kg 1] katalysator wordt gebruikt -afhankelijk van de soort katalysator, de soort 0 1 rocescondities - kan dit voor een
HYCON unit als die in Pernis (± 4000 ton olie/dag) een groot verbruik aan katalysator opleveren. Om de kosten van het katalysator verbruik te beperken, heeft Shell een rejuvenatie proces ontwikkeld. In dit verslag wordt e~n voorontwerp gepresenteerd van dit 'demetallisation catalyst rejuvenation' (DCR) proces.( ,
Ol
1
.~
YJf""i
Br
~
Î . {
$i;L
/
J
O·
"
~
-1-HYDAOGEN
(CTS • CAT AL Y8T T1WePORT 8Y81a1)
Fig. 1: Vereenvoudigde flowdiagram van het HYCON proces.
TOGAS CLENN]
r
TOOISTLLATE
SECTJON•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.TUVENATION
2. illTGANGSPUNTEN VAN HET PROCES ONTWERP 2.1. Specificatie Fabrieksvoorontwerp HYCON (fig. 1)
Gehele proces
Doelstelling: Verwijderen van metalen (Ni, V) en zwavel uit zware aardolie residuen. Capaciteit : 20.000 barrels/dag, ongeveer 3500 ton/dag.
Route : HYCON hydrotreating proces (Shell).
Grondstof : Arabian Heavy (Vacuum Residue). Reactiesysteem
Reactor Reacties
Katalysator -HDM
: HDM: moving bed reactor HDS: trickle-bed reactor : Hydrodemetallisatie (HDM)
Hydrodesulfurisatie (HDS) 400°C, 100 bar Hydroconversie (HCON)
: Ni-V /Si02- bolletjes (dp
=
1.5 mm)Deactivering : coke depositie : snel (enkele uren),
-HDS
2-10 wt %, evenwicht
accumulatie van metalen : over 100 wt % van verse katalysator metaal depositiesnelheid : 0.5-1.0 wt % per dag
: Co-Mol Al203 extrudaten
Warmte-effecten : Schatten aan de hand van thermodynamische berekeningen. HDM, HDS, hydrogenering, hydrocracking
MI HOM
= -
280 kJ/mol; MI HDS= -
180 kJ/molCorrosiviteit : H2S aanwezig
Overige Proceseenheden Produkt specificaties :
Reactor sectie : HYCON specificaties aanhouden (77% conversie) Destillatie sectie : Industriële specificaties, LPG, nafta, diesel, residue
-2-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
2.2. Capaciteit van het rejuvenatie proces
Het proces wordt ontworpen voor het verwerken van 1 ton HDM katalysator per dag, met 8000 bedrijfsuren (333 werkdagen) per jaar. Dit is gebaseerd op de hydrodemetallisatie van 3500 ton Arabian Heavy Vacuum Residue (AHVR) per dag, waarbij 0.3 kg katalysator per ton verwerkte olie gebruikt wordt [3].
2.3. Specificatie van grond- en hulpstoffen Afgewerkte HDM-katalysator
De afgewerkte HDM-katalysator wordt geleverd door de HDM-unit van het HYCON proces. De samenstelling van deze katalysator staat vermeld in tabel 1. Hierbij zijn een aantal belangrijke aannamen gemaakt:
- De poriën zijn volledig gevuld met Arabian Heavy V.R.
- De katalysator wordt voor 100 gew. % beladen met vanadium en nikkelsulfiden. - Alle afzettingen van cokes, vanadium- en nikkelsulfides, worden verondersteld in de
katalysator plaats te vinden.
- De vorm van vanadiumsulfide wordt gesteld op V2S3, die van nikkelsulfide op NiS. Verondersteld wordt dat aan de afgewerkte HDM-katalysator geen kosten verbonden zijn, terwijl de geregenereerde katalysator DFL 20/kg opbrengt. Dit omdat niet bekend is wat de afspraken zijn met de katalysator-fabrikant omtrent terugname van afgewerkte HDM-katalysator.
Stikstof
Stikstof wordt voornamelijk gebruikt voor droog- en koeldoe einden. Het wordt aangevoerd in vloeibare vorm in vaten voor DFL 190/ton. ~ ,
Zuurstof
4,(}v1
v~
Zuurstof wordt geleverd in cilinders, omdat het verbruik (2.4 kglhr) dit toelaat.
...
Zwavelzuur
In het proces worden twee concentraties zwavelzuuroplossingen gebruikt. Geconcentreerd zwavelzuur wordt aangevoerd in vaten, en in opslagvaten verdund tot de juiste concentraties.
-3-•
•
•
Tabel 1: Samenstelling van de afgewerkte HDM-katalysator
Aanvoer wt%
*
Afvoer wt%*
(ton/jaar) (ton/jaar)•
Si02-drager 333.75 100 333.75 100 Cokes 32.37 9.7 24.27 7.3•
Vanadium 151.74 45.5 9.47 2.8 Nikkel 25.19 7.5 10.08 3.0 Zwavel 156.83 47.0 - -Zuurstof - - 7.22 2.2•
Olie 569.67 171-
-Water - - 3.05 0.9•
*) De genoemde gewichtspercentages zijn gebaseerd op Silica•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
2.4. Specificatie van produkten
Geregenereerde HDM-katalysator
De samenstelling van de geregenereerde HDM-katalysator is vermeld in tabel 1. De gehaltes genoemd voor de opgewerkte katalysator, zijn gemiddelde waarden over de katalysatordeeltjes; 25 % van de deeltjes is namelijk behandeld in een slipstroom waarbij cokes wordt verwijderd. Hierdoor krijgen de deeltjes een afwijkende samenstelling van de overige katalysatordeeltjes.
Corvusiet
Het corvusiet heeft de bruto samenstelling V204.6(V20s).x(H20). Omdat over corvusiet zeer weinig informatie bekend is wordt voor de prijs van corvusiet de prijs van vanadiumpentoxide genomen. Het afgefiltreerde corvusiet bevat 10 wt % water. Een verdere behandeling alvorens het op de markt te brengen is dus nog nodig.
2.5. Afvalstromen
Stoom uit de olie/zwavel verwijderaar
De stoom bevat 0.3 wt % H2S en 1 wt % olie. Voordat deze stoom (400°C, 3 bar) verder benut kan worden, dient ze gezuiverd te worden.
Stikstof uit waste-heat boiler
De stikstofstroom uit de waste-heat boiler bevat 0.3 wt % CO2, 4 wt % water en nog 1 wt % zuurstof. Het wordt daarom gewoon gespuid.
Lucht uit de Ie oxidator i
Deze lucht is niet vervuild, en wordt gespuid. Spui uit de 2e oxidator
Deze spui is aanwezig om eventuele ophoping van gassen te voorkomen. Filtraat uit filtratie-unit
Deze oplossing bevat 0.14 wt % NiO, 0.04 wt % V20S en 3 wt % H2S04• Het is waarschijnlijk niet economisch rendabel om uit deze oplossing het nikkel terug te winnen.
-4-•
•
Tabel 2 : Fysische en toxicologische eigenschappen van grondstoffen en eindprodukten.
•
Stof Mw BP MP Expl. MAC LDso LCso
Limits rats human
(g/mol) (OC) (0C) (Vol %) (ppm) (mg/kg) (ppm)
H2S04 98.1 280 3 - * 1 - -
•
AHVR 579.0 565 - - - - -N2 28.0 -196 --
n.b.-
-O2 32.0 -183 -218 - n.b. - -•
CO2 44.0 -79 sub!. - 9000-
-H2S 34.1 -60 -85.5 4-46 10 - 600 V203 149.9 **•
V204 165.9 ** V20S 181.9 1750 690 stof: * 0.5 12 -rook: 0.05•
NiO 74.4 ontl 1984 - n.b. --V2S3 198.1 ontI ontI. stofexp n.b. -
-NiS 90.8 - -
-
0.1 - -Si02 60.1 2230 1610 - 0.15 50 -•
C 12.0 - sub!. - n.b. - -*) In mg/m3 **) Zie gegevens V20S•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
2.6. Fysische constanten van grondstoffen en eindprodukten
In tabel 2 staan fysische eigenschappen van grondstoffen en eindprodukten gegeven [2].
2.7. Veiligheidsaspecten
In tabel 2 staan gegevens vermeld van de gebruikte stoffen met betrekking tot explosie gevaar en toxologie. Enige specifieke gevaren van de gebruikte stoffen zijn hieronder weergegeven.
Zwavelzuur
De stof is niet brandbaar, maar bij vele reacties is er kans op brand en explosie. Verdunnen met water gaat gepaard met heftige warmteontwikkeling.
Inademen : bijtend, ademnood Hulp : frisse lucht, naar ziekenhuis
Huid : brandwonden Hulp
Ogen : roodheid, slecht zien Hulp Inslikken : keel- en buikpijn Hulp
Zwavelwaterstof
: kleding uittrekken, afspoelen met veel water : spoelen met veel
water, arts waarschuwen : veel water drinken,
ziekenhuis
Zeer brandgevaarlijk en tast vele metalen aan. Reageert heftig met oxidatiemiddelen, met kans op explosie. Bij verbranding ontstaan giftige corrosieve dampen (zwaveldioxide). Inademen : ademnood, duizeligheid
Huid : roodheid, ernstige brandwonden
Ogen : roodheid, slecht zien
Divanadiumpentoxide
Hulp : frisse lucht, naar ziekenhuis Hulp : geen kleding
uittrekken, maar afspoelen met water en naar ziekenhuis
Hulp : spoelen met water en naar ziekenhuis
Niet brandbaar, maar katalyseert vele oxidatiereakties.
Bij frequent inademen van stofdeeltjes kan longoedeem ontstaan, en zenuw beschadigingen. Inademen : verstopte neus, hoofdpijn
Huid : roodheid, jeuk
Hulp : frisse lucht, arts waarschuwen
Hulp : huid met zeep wassen
-5-AFGEWERKTE KATALYSATOR
~
~ ~L
R 1 OUE / ZWA~L ~WI.l)ERING
R 6 COKES ~RWI.l)ERING R 9 KOELER lA 11 KATALYSATOR OPSLAG lA 19 KATALYSATOR OPSLAG R 22 DROGER lA 24 T 26 T 27 lA 29 R 30 R 32 CORVUSIET
r---i
I EXTRACTIE I I I I I I I I SECTIE I I ZUURSTOF I I I I (zie deton) I I I I I I L ______________ "8 LUCHT :.: F5VACUUlA FlL TRAliE U 36 OPSLAG VERSE KATALYSATOR PROCESSCHEMA VANHET SHELL HDM-KATALYSATOR REJUVENATIE PROCES
OPSLAG EXTR. VLOEISTOF G. EIst fobrfekslIOOrontwerp No. J013 OPSLAG EXTR. VLOEISTOF
CLASS1FlCA llE lA. Hermua November 1993
rv.t:EDE OXiDA lIESTAP
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVOOgen : pijn, tranen
Inslikken : braken, buikkrampen
Siliciumdioxide
DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
Hulp : spoelen met veel
water, arts waarschuwen Hulp : veel water drinken,
ziekenhuis
Vooral stof is gevaarlijk. Het werkt prikkelend op ogen en keel, en kan ongeneeselijke longaandoeningen veroorzaken (silicose). Amorf siliciumdioxide, zoals silicagel, is echter veel minder gevaarlijk. Het is echter carcinogeen verdacht.
Een belangrijk feit is dat de apparaten bestand moeten zijn tegen corrosieve stoffen als zwavelwaterstof en zwavelzuur. Daarom wordt gekozen voor Ni-Cr bevattend roestvast staal met Mo. Het Mo zorgt dat het staal beter bestand is tegen stress-corrosion cracking, een van de meest voorkomende en gevaarlijkste vorm van corrosie.
Het gekozen materiaal is austenitic roestvrij staal, 18-20 % Cr, minimaal 10 % Ni en 2.25 - 3 % Mo. Een nadeel van deze materiaal keuze is dat ze vrij kostbaar is [4].
-6-KATALYSATOR UIT OPSLAG 1.411
KATALYSATOR NAAR OPSLAG 1.419
R 12 t/m R 15 I EXTRAC1lE VATEN
2 N ZWAVELZUUR 0.2 N ZWAVELZUUR WATER
~ ~ ~ ~ ~
350 EXTRAC1lE VLOEISTOF NAAR OPSlAG T 27
PROCESSCHEMA VAN HET SHELL HDM-KA TAL YSA TOR REJUVENA TIE PROCES DETAIL VAN DE EXTRAC1lE SEC1lE
G. Elat F abrlekal/OOl"antwerp Na. 3013
1.4. Hermua Nawmber 1993
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
3. BESCHRI.IVING VAN HET PROCES
In dit hoofdstuk wordt het processchema beschreven, alsmede de flexibiliteit van het proces en het opstarten ervan.
Het proces wordt doorgenomen aan de hand van het processchema in fig 2, en wordt daartoe onderverdeeld in de volgende sectoren :
1. Katalysator voorbereidingssectie 2. Slipstroomsectie
3. Extractiesectie
4. Oxidatiesectie
+
filtratie 5. Droogsectie+
classificatie.3.1. Katalysator voorbereidings sectie
Hieronder vallen de olie/zwavelverwijderingsstap Rl, de tussen opslag M3 en de koeler R9.
De afgewerkte katalysator (V-Ni/ Si02 bolletjes) wordt met een schroefpomp in fluidized-bedreactor Rl geleid (fig 3). Daar worden met stoom bij 400°C en 3 bar de olieresten van de katalysatorbolletjes verwijderd. Tevens wordt de vanadiumsulfide (V2S3) en nikkelsulfide (NiS) omgezet in respectievelijk vanadiumoxide (V203) en nikkeloxide (NiO). Daar de reactie enigszins endotherm is wordt de lage drukstoom eerst in fornuis F5 opgewarmd tot 414
oe.
Al het aanwezige zwavel wordt omgezet tot H2S, en verlaat samenmet de olieresten via de stoom reactor Rl.
De van olie en zwavel ontdane katalysator is nu 'free flowing', en wordt via een schroefpomp naar tussenopslag M3 getransporteerd.
In koeler R9 wordt zowel de katalysator rechtstreeks uit de tussenopslag M3 als de katalysator uit de cokes-brander gekoeld tot 90
oe.
Dit gebeurt in gefluïdiseerde toestand met stikstof. Het stikstof verlaat koeler R9 via cycloon MlO, waar kleinere katalysatordeeltjes verwijderd worden, en wordt vervolgens naar fornuis F5 geleid. De afgekoelde katalysatorbolletjes worden met een schroefpomp naar opslagsilo Mil verpompt.3.2. Slipstroomsectie
Eén vierde deel van katalysator wordt door coke-verwijderaar R6 geleid. Hier wordt bij 500°C 99 % van de aanwezige cokes in gefluïdiseerde toestand omgezet tot CO2•
Daar de reactie sterk exotherm verloopt is aan de ingaande luchtstroom extra stikstof gevoegd om de zuurstofconcentratie laag te houden. Dit stikstofmengsel wordt eerst in fornuis F5 opgewarmd voordat het naar reactor R6 wordt geleid.
De van cokes ontdane katalysatorbolletjes worden met een schroefpomp naar koeler R9 verpompt. Het verder opgewarmde stikstofmengsel verlaat reactor R6 via cycloon M7 en wordt naar droger R22 geleid via compressor C20.
-7-1. Shell 2. Powder
3. Blower
4. Gas distributor 5. Heat exchanger
for fluidizing gas
--++4--@
®
6. Internol heoting or coolim~ 7. Externol heating or cooling
8. Cyclones 9. Solids feeder 10. Solids offtoke 11. Spray reed
Fig. 3: Weergave van een gefluidiseerd bed reactor.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.TUVENATION
3.3. Extractiesectie
De extractiesectie bestaat uit twee opslagsilo's Mll en M19, vier identieke extractiekolommen Rl2 t/m Rl5 en drie warmtewisselaars Hl6, Hl7 en Hl8. De totale extractie bestaat uit drie extractiestappen. Tijdens elke extraciestap wordt één van de kolommen door vrije stort gevuld met katalysator uit opslagsilo MIL Elke stap duurt zeven uur.
Gedurende de eerste extractiestap wordt geëxtraheerd met een 2N zwavelzuuroplossing die in warmtewisselaar H16 wordt opgewarmd tot 90 °C.
De tweede extractiestap wordt uitgevoerd met een 0.2N zwavelzuuroplossing. Deze wordt in warmtewisselaar Hl7 opgewarmd tot 70
oe.
In de derde extractiestap wordt geëxtraheerd met water dat in warmtewisselaar H 18 is opgewarmd tot 70
oe.
N a de extractie is 94 % van al het vanadium en 60 % van al het nikkel van de katalysator verwijderd. Hierbij wordt opgemerkt dat van de katalysatordeeltjes zonder cokes nagenoeg al het nikkel is verwijderd en van de deeltjes mét cokes slecht 47 %
nikkel.
Omdat over de chemie van het proces weinig bekend is wordt aangenomen dat het vanadium aanwezig is in de vorm van V203 en het nikkel als NiO.
Alle extractievloeistoffen worden gedurende zeven uur opgevangen in één van de opslagtanks T26 of T27. Elke zeven uur wordt een extractiekolom geleegd, waarbij de katalysator vrij doorstroomt naar opslagsilo M19.
3.4. Oxidatie en filtratie sectie
De extractievloeistof uit de geroerde opslagtank T26 qf T27 wordt in warrntewisslaar H28 afgekoeld voordat ze naar oxidator R32 wordt geleid. In deze geroerde tankreactor wordt V203 tot V20 4 geoxideerd met behulp van lucht. De lucht wordt via compressor C33 door
de tank geleid. De reactievlodstof wordt in warmtewisselaar H34 opgewarmd voordat ze naar de tweede oxidator R30 gaat.
In oxidator R30 oxideert 6/7 deel van het V20 4 door tot V20S onder een grote overmaat zuurstof. Hierbij ontstaat een vaste stof met de bruto formule van corvusiet
(V204.6(V20s).xH20). De overmaat aan zuurstof wordt via compressor C31 teruggemengd met een kleine stroom verse zuurstof. Er IS een kleine spui aanwezig om eventuele
ophoping van andere gassen te voorkomen.
Het massapercentage aan vaste stof in de reactievloeistof is 2 wt % . De reactievloeistof wordt door pomp P25 naar filtrator M24 verpompt.
Het vacuum drum filter M24 bestaat uit drie secties. In de eerste sectie wordt de moedervloeistof afgefiltreerd. Vervolgens wordt in de tweede sectie de corvusietkoek gewassen met water. In de derde sectie wordt de koek door het doorblazen van lucht ontwaterd. De koek wordt van het filtermedium losgemaakt met een korte luchtpuls. De moedervloeistof wordt samen met de wasvloeistof afgevoerd en bevat 0.05 wt % corvusiet, 0.15 wt % NiO en 3 wt % H2S04. Het eindprodukt is corvusiet en bevat 10 wt % water.
-8-P· 4' 19 . . Classificatie sectie.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
3.5. Drooesectie en classificatie
Het is belangrijk dat de katalysatordeeltjes droog zijn, omdat water in de HDM-reactor tot ongewenste nevenreacties kan leiden. De katalysatorbolletjes worden met een schroefpomp naar droger R22 getransporteerd. Het drogen gebeurt bij 346°C in gefluïdiseerde toestand met een stikstofmengsel. Dit mengsel komt als volgt tot stand : een verse stikstofstroom 6 wordt gemengd met de stikstofstroom uit koeler R9. Deze stroom wordt in fornuis F5 opgewarmd. De opgewarmde stroom wordt samengevoegd met het stikstofmengsel uit compressor C20, afkomstig van de cokesverwijderaar.
De gedroogde katalysatorbolletjes bevatten 0.9 wt % water en worden via een transportband naar de classificatiesectie M29 gebracht. In warmtewisselaar H21 wordt met de uitgaande stikstofstroom lage druk stoom (LP stoom) gemaakt. Het stikstofmengsel wordt in de atmosfeer gespuid.
Bij de classificatie speelt de bolvormigheid van de katalysatordeeltjes een zeer belangrijke rol. Het blijkt dat bolvormige en bijna bolvormige deeltjes minder de neiging hebben de uitlaatzeven van de HDM reactor te verstoppen aangezien zij gemakkelijk over de uitlaatzeven van de reactor kunnen rollen. In [5] wordt een speciaal daartoe ontworpen apparaat beschreven dat bestaat uit een triltafel en twee transportbanden. Dit apparaat is schematisch weergegeven in figuur 4.
3.6. Flexibiliteit van het proces
Elke soort olie die in het HYCON proces wordt verwerkt zorgt voor een andere belading met V2S3 en NiS op de katalysator. Het proces is ontworpen voor Arabian Heavy Vacuum Residue. Deze olie bevat al vrij veel vanadium en nikkel. Het rejuvenatieproces is daarom ook geschikt voor katalysatordeeltjes met evenveel of minder vanadium en nikkel. Om het proces geschikt te maken voor katalysatoren met een grotere belading aan metalen zou dit ontwerp opnieuw doorgerekend moeten worden.
De hoeveelheid katalysator die verwerkt kan worden is gebonden aan grenzen omdat o.a. de gassnelheden zodanig moeten worden ingesteld dat de katalysatorbedden fluïdiseren.
3.7. Opstarten van het proces
Het proces is sterk afhankelijk van het HYCON proces. Het opstarten van olie/zwavel verwijderaar Rl, cokes verwijderaar R6 en droger R22 kost relatief veel tijd omdat deze reactoren op temperatuur gebracht moeten worden.
Het proces wordt op semi-continue wijze uitgevoerd. Zo is de oxidatie en filtratie sectie bij grote opslagcapaciteit T26 en T27 vrijwel onafhankelijk van de rest van het proces.
Om het proces zo continu mogelijk te laten verlopen zou gedacht kunnen worden aan het opbouwen van een buffervoorraad te regenereren katalysator.
-9-Tabel 3 : Reactiewarmten en warmtecapaciteiten bij proces-condities
I
I
TrI
~Hr (K) (Ml/mol) V2S3 - -(V2S3+
02 --» V203 400 0.386 (V203+
02 --» V204 363 -0.208 (V204+
02 --» V20S 343 -0.121 (C+
02 --» CO2 773 -0.390 (NiS+
02 --» NiO 400 -0.332 NiS-
-•
•
•
•
I
CpI
(l/mol.K)•
135.14 103.21 116.98 127.65•
---44.31 47.11•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
4. PROCESCONDITIES
4.1. Chemie
Over de chemie van de verschillende deelstappen is zeer weinig bekend. Er moeten daarom een aantal aannamen gemaakt worden :
- verondersteld wordt dat de vorm van vanadiumsulfide en nikkelsulfide op de katalysator V 2S3 resp. NiS is.
- tijdens de ontzwaveling reageert V2S3 tot V20 3 en NiS tot NiO. - bij de eerste oxidatie reageert V20 3 tot V204 •
- gedurende de tweede oxidatie reageert V204 tot V20S' 4.2. Thermodynamica
In dit ontwerp spelen verschillende reactiewarmten een rol. De reactiewarmten bij de omzetting van vanadium- en nikkelsulfiden met stoom tot vanadium- en nikkeloxiden en zwavelwaterstof worden berekend met behulp van de vormingswarmten ilHf en de warmtecapaciteiten van de stoffen. Zie hiervoor bijlage 1. De reactiewarmten voor V2S3 en
NiS staan vermeld in tabel 3.
De reactiewarmte bij de oxidatie van V20 3 tot V204 en van V204 tot V20S in de
oxidatoren is eveneens berekend met behulp van vormingswarmten en warmtecapaciteiten. Zie hiervoor bijlage 1. Deze reactiewarmten staan eveneens vermeld in tabel 3.
De reactiewarmte voor de reactie van cokes tot C02 door oxidatie met 02 is berekend op basis van de standaard vormingsenthalpie voor C02 bij 298 K [6]. Deze enthalpie is met behulp van warmtecapacIteIten omgerekend tot de reactiewarmte bij de procestemperatuur (tabel 3).
De warmtecapaciteiten voor de grondstoffen, tussenprodukten en eindprodukten worden zoveel mogelijk berekend met
CHEMCAD volgens de formule :
C = A + BT + CP +
DP
+ ET4 + FT5p (1)
Van de volgende stoffen zijn de warmtecapaciteiten afkomstig uit literatuur [7] en [8]: NiO, NiS, V2S3, V20 3• V204 en V20S (Zie tabel 3).
4.3. Kinetiek
Over de kinetiek van de olie/zwavel verwijderingsreacties. de extractiestappen en de oxidatiereacties is niets bekend. Uitgegaan wordt van de reactietijden en reac-tietemperaturen vermeld in literatuur [9].
-10-•
•
•
Tabel 4: Procescondities van alle processtappen.
•
Procesnaam Nr. T P tproces (K) (Bar) (uur) Olie/zwavel verwijdering R 1 673 3 7•
Cokes verwijdering R 6 773 1.5 1.2 Koeler R 9 363 1.5 5.3 min•
Extractie 1 R 12 363 1.0 7 Extractie 2 R13 343 1.0 7 Extractie 3 R 14 343 1.0 7•
Droger R 22 673 1.5 2.8 Oxidatie I R 32 303 1.5 8 mm Oxidatie II R 30 363 1.5 4 Filtratie M 24 363 0.7 1.5 min•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
Voor de kinetiek van de cokesverwijdering geldt de volgende vergelijking [10] :
-
~~c
=-K*P02*Ccwaarbij voor K de volgende Arrheniusvergelijking geldt :
K=2. 96 *exp (_ 13000 ) T
(2)
(3)
Ciesielczyk e.a. [11] geven een beschrijving voor het drogen van silicagel deeltjes in een gefluïdiseerd bed. Voor de temperatuur van de ingaande stikstofstroom wordt 400°C gekozen. Deze mag niet te laag zijn omdat dan de droogtijd te groot wordt, ze mag echter ook niet te hoog zijn in verband met sintering van de katalysator.
In bijlage 2 staat de berekening van de droogtijd en droogtemperatuur beschreven. Deze zijn resp. 1.8 uur en 315
oe.
In [11] wordt van een HDM katalysator Kuwait olie verwijderd met stoom van 150°C en 1.5 bar gedurende 1 uur. Aangenomen wordt dat de condities in de ontzwavelingsreactor ruimschoots voldoende zijn om het Arabian Heavy Vacuum Residue te verwijderen. De energie die nodig is om de olie van de katalysator te verwijderen wordt geschat aan de hand van de verdampingswarmte van N-undecaan. Deze wordt bepaald met CHEMCAD en is 0.3 MJ/kg.
De procescondities van alle processtappen staan vermeld in tabel 4.
-11-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
5. MOTIVERING KEUZE APPARATUUR EN BEREKENING APPARATUUR
5.1. Specificatie katalysator
Omdat uit [13] geen specificatie van afgewerkte katalysatoren gebruikt voor de HDM van Arabian Heavy Vacuum Residue (AHVR) bekend is, moet de samenstelling bepaald worden aan de hand van de olie die in de literatuur wordt gebruikt 13.
Deze olie wordt niet met naam genoemd, maar komt qua samenstelling overeen met Kuwait Atmospheric Residue (KAR). Deze olie bevat 15 ppm nikkel en 51 ppm vanadium 14. AHVR bevat daarentegen 48 ppm nikkel en 166 ppm vanadium. Op basis van de bekende samenstelling [13] van de afgewerkte HDM kat voor KAR (4.1 wt % Ni; 24.3 wt
% V) kan nu uit de gewichtsverhouding tussen Ni en V op de olie en de verhouding op de afgewerkte katalysator, de samenstelling van de HDM kat voor AHVR berekend worden (zie bijlage 3). Hierbij wordt uitgegaan van een maximale belading met metaalsulfiden van 100 wt % op basis van silica.
De belading met cokes wordt gelijk verondersteld aan die van de KAR-katalysator (9.7 wt %), omdat geen andere - nauwkeurige - waarde voor het cokesgehalte bekend is.
5.2. Olie en zwavel verwiiderin2
In deze reactor worden de vanadium- en nikkelsulfiden omgezet in vanadium- en nikkeloxiden met behulp van stoom. De zwavel verlaat de reactor in de vorm van zwavelwaterstof. De katalysatorbolletjes worden met de stoom gefluïdiseerd. Het is niet bekend welke reacties precies plaatsvinden. Aangenomen wordt dat tijdens de reactie één zw ave I atoom wordt uitgewisseld voor één zuurstofatoom.
Per uur wordt 42 kg katalysator-drager aangevoerd. Deze is beladen met 88.5 wt %
V2S3 en 11.5 wt % NiS. Verder bevindt zich in totaal 170.7 wt % AHVR in de poriën. Met de herschreven Ergun vergelijking [4] wordt de fluïdisatiesnelheid berekend. Deze is 2.5 mis. Na het kiezen van een hoogte/diameter verhouding (LID
=
6) en het berekenen van de bedporositeit [16] (E=
0.7) volgt bij een katalysator verblijftijd van 7 uur voor de reactorhoogte 4.2 m en de reactordiameter 0.7 m. Vervolgens wordt de mas-sastroom stoom berekend. Deze is 0.97 kg/s. De drukval over het bed is gelijk aan de drukval bij minimale fluïdisatie. Deze is 0.3 bar. De berekeningen staan vermeld inbijlage 4.
De temperatuur van de ingaande stoomstroom wordt berekend aan de hand van de reactiewarmte en de warmte nodig om de olie te verwijderen. Zie voor deze berekening -bijlage 4. De inlaattemperatuur van de stoom is 414
oe.
-12-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
5.3. Fornuis F5
Het fornuis wordt gebruikt voor de verwarming van de gasstromen naar achtereenvolgens de olielzwavelverwijdering, de cokesverwijdering en de droger.
Als brandstof wordt aardgas gebruikt, daar dit de laagste brandstofkosten oplevert (zie bijlage 5). Het verbruik aan brandstof is berekend door voor iedere stroom de hoeveelheid warmte te bepalen die nodig is voor het bereiken van de gewenste uitgaande temperatuur. Optellen van de afzonderlijke hoeveelheden energie levert het totaal aan energie dat het fornuis moet leveren. Rekening houdend met een rendement van 75 % levert dit een totale energiebehoefte van 2.65 GJ/h. Omrekenen naar het aardgasverbruik met gebruik van de energieinhoud van aardgas (31.7 MJ/m3
), geeft 83.6 m3/h.
Alle berekeningen betreffende het fornuis staan in bijlage 5 .
5.4. Cokes verwijdering
De cokesverwijdering wordt uitgevoerd in een fluïde bed reactor In verband met de
exotherme reactie die plaatsvindt bij de verwijdering van de cokes.
De verblijf tijd van de katalysator in de reactor wordt bepaald door diffusie- en/of kinetiekbeperkingen [15]. Om te bepalen welke factor bepalend is wordt de verblijf tijd een keer uitgerekend uitgaande van kinetiekremming en een keer op basis van diffusie remming.
Beide verblijf tijden blijken bij de gekozen condities ongeveer even groot te zijn. Aangezien de berekening voor diffusieremming veel onnauwkeurigheden bevat, wordt voor verdere berekeningen de waarde van de kinetiekremming genomen (1.2 uur). Ook volgens de literatuur [15] is het aannemelijk dat bij deze condities kinetiekremming een grotere rol zal spelen dan diffusieremming.
De afmetingen van de reactor volgen uit de verblijf tijd, de volumestroom van de katalysator en de gekozen verhouding tussen hoogte en diameter van het bed (H
=
0.74 m; D=
0.25 m). Uit de Wen & Yu [4] relatie volgt de waarde voor de minimale fluïdisatie snelheid voor het bed. Deze snelheid is 0.39 mis.Indien de superficiële gassnelheid vijf keer zo groot als de minimale fluïdisatiesnelheid wordt genomen, kan het benodigde gasvolumedebiet </lVg berekend worden (</lVg
=
0.09 m3/s). De drukval over het bed is dan 4.6 kPa.Alle berekeningen betreffende de cokesverwijdering zijn in bijlage 6 opgenomen.
-13-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
5.5. Koeler R9
Om verdere oxidatie van cokes tegen te gaan wordt gekoeld met stikstof. Er wordt gekozen voor een fluïde bed reactor om de goede warmteoverdrachts eigenschappen.
Voor fluïde bedden hoger dan 20 à 30 keer de deeltjesdiameter zijn volgens Zabrodsky [16] kinetiekberekeningen voor de warmteoverdracht tussen gas en deeltjes overbodig. Enkele deeltjesdiameters boven de gasinlaat wordt al de evenwichtstemperatuur bereikt. De massastroom stikstof wordt berekend met een statische energiebalans en is 0.11 kg/s.
Met de herschreven Ergun vergelijking wordt de fluïdisatiesnelheid Uo berekend. Deze is 2.16 mis.
Voor de hoogte/diameter verhouding van de reactor wordt de waarde zes genomen. Voor de reactordiameter volgt dan D
=
0.21 m en voor de reactorhoogte H=
1.23 m. Na de berekening van de bedporositeit (eb=
0.7) volgt voor de katalysator verblijftijd 't=
10.7 min.Alle berekeningen zijn vermeld in bijlage 7.
5.6. Extractie Rl2 tlrn RIS
Omdat over de chemische achtergrond van het extractie-proces weinig bekend is, wordt voor de berekening van de dimensies van de extractie-unit het proces, zoals dat staat beschreven in [17], opgeschaald.
De extractiesectie is opgebouwd uit vier parallel geschakelde gepakt-bed reactoren (R12 tlm RI5). In drie van deze vier reactoren wordt geëxtraheerd met respectievelijk 2 N zwavelzuur, 0.2 N zwavelzuur en water. Alle extracties tappen duren - volgens [17] - 7 uur. In deze 7 uur kan de vierde reactor gevuld worden met een nieuwe lading katalysator
Voor de parallelle variant met vier vaten is gekozen omdat deze opbouw, in tegenstelling tot andere mogelijkheden, geen grote tussentijdse opslag nodig is voor extractie vloeistof enlof katalysator. Tevens hoeft de katalysator voor de verschillende stappen niet verplaatst te worden.
Uit het voorbeeld van KAR in [17] kan de verblijf tijd van de vloeistof bepaald worden. Deze verblijf tijd is ongeveer een uur. Omdat AHVR een andere samenstelling bezit dan KAR moet een andere hoeveelheid extractievloeistof per hoeveelheid katalysator worden gebruikt. De omrekening gebeurt op basis van het vanadium-gehalte. In tegenstelling tot de 4.2 liter per kilogram katalysator die wordt gebruikt in het geval van KAR, blijkt voor AHVR 5.9 l/kg kat nodig. Dit betekent dat bij iedere extractie-stap 519 liter per uur extractievloeistof nodig is.
De grootte van de gepakte bedden wordt bepaald door de verblijftijden van vloeistof en katalysator alsmede de volumestromen. Hieruit volgt een volume van 1 m3 bij een bedporositeit van 0.56 .
Indien wordt aangenomen dat bij de laatste stap (water-wash) de kat volledig is gevuld met water, dan betekent dit voor de totale volumestroom extractie-vloeistof naar de opslagtanks T261T27 : <j>v
=
1.5 m3Jh
Uit [17] is bekend dat volgens de gebruikte werkwijze 47 % nikkel en 92 %
-14-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.TUVENATION
vanadium wordt verwijderd. In het geval dat de katalysator afkomstig is uit de cokesverwijdering, is dit voor beide metalen 99 % [18]. De concentratie vanadium en nikkel in de extractie-vloeistof is dan 11.8 kg/m3 resp. 1.25 kg/m3 indien 25 % van de
katalysator is behandeld in de slipstream.
De volledige berekening van de extractie-sectie is te vinden in bijlage 8.
5.7. Droger R22
De katalysatordeeltjes worden gedroogd in een gefluïdiseerd bed wegens de goede warmte- en stofoverdracht.
Ciesie1czyk [11] beschrijft het drogen van silicagel deeltjes in een gefluïdiseerd bed. Hiertoe wordt de totale droogperiode verdeeld in twee stappen :
- Eerste droogperiode : de warmteoverdracht is snelheidsbepalend. Er is sprake van een constante droog snelheid.
- Tweede droogperiode : deze begint bij de critische waterconcentratie Wer. Watertransport naar het oppervlak van het deeltje wordt gehinderd door o.a. capillaire krachten in de poriën. De droogsnelheid neemt af naarmate het deeltje droger wordt.
Omdat de porositeit Ep van de deeltjes groot is (Ep
=
0.7) bevindt bij benadering al het water zich in de poriën. Aangenomen wordt dat de gehele droogstap zich afspeelt in de tweede droogperiode. Bij de berekening van deze tweede droogperiode wordt de droogsnelheid K gerelateerd aan de maximale droogsnelheid N in de eerste droogperiode.De maximale droogsnelheid N volgt uit de warmtebalans over een deeltje, waarbij de warmteoverdrachtscoefficient ex. in de eerste periode wordt berekend met de Nusselt-relatie van Ciesie1czyk en Mrowiec [11]. Voor de temperatuur van het deeltje geldt de natte bol temperatuur. Hiervoor wordt een schatting gevonden in [19]. In bijlage 2 wordt verder af-geleid dat in de tweede droogperiode geldt :
log
Wz
-
U;
=
-2.61. 8Trrr lX. c/>. 'TIl~
- U;
(U{r - U;). r. Ps· d s (4)Het doorrekenen van de reactor gebeurt iteratief:
De temperatuur van de ingaande stikstofstroom is 400 °C. Er wordt een schatting gemaakt van bedtemperatuur Tb en droogtijd 'tIl. Met de herschreven Ergun vergelijking
wordt de fluïdisatiesnelheid berekend.
-15-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
De droogtijd 'tIl wordt berekend met formule 4.
Nu de verblijf tijd van de deeltjes in de reactor bekend is kunnen de reactordiameter-en hoogte berekreactordiameter-end wordreactordiameter-en. Vermreactordiameter-enigvuldigreactordiameter-en van de fluïdisatiesnelheid Uo met het reactoroppervlak levert de benodigde volumestroom stikstof. Vervolgens wordt de ges-chatte droogtijd 'tn gecontroleerd en gecorrigeerd. Uit de energiebalans over de reactor volgt de nieuwe schatting voor de bedtemperatuur Tb.
De berekening is vermeld in bijlage 2. De droogtijd 'tIl
=
2.4 uur, bedtemperatuurTb
=
323oe,
reactordiameter- en hoogte zijn resp. 0.5 m en 2.2 m en de totale massastroom stikstof is 0.30 kg/s. De drukval over de reactor is 5.3 kPa.5.8. Eerste oxidatiestap
In literatuur [20] wordt de oxidatie beschreven van V203 naar V204 op laboratoriumschaal. Voor de overdracht van zuurstof naar de waterfase geldt :
c/>zuurstof •
v,.
=~.
A.v,.. (
~
-
Cl) (5)Daarbij wordt de stofoverdrachtscoefficiënt in de gasfase verwaarloosd.
Voor het opschalen van de laboratoriumreactor wordt het toegevoerde vermogen per volume eenheid constant gehouden. Omdat de concentratie aan V203 in ons proces 1.22 maal groter is dan in [20] moet volgens formule 5 de overdrachtsconstante K,A met dezelfde factor worden vergroot. De overdrachtsconstante K,A is recht evenredig met het totaal toegevoerde vermogen per volume eenheid, dat bestaat uit energie toegevoerd door het gas en energie toegevoerd door de roerder. De stofoverdracht wordt dus vergroot door de roersnelheid aan te passen.
De reactietemperatuur wordt op 30
oe
gehouden door de temperatuur van de ingaande vloeistofstroom met warmtewisselaar H28 te regelen.Alle berekeningen zijn in bijlage 9 vermeld. De reactordiameter en reactorhoogte zijn beiden 0.16 Cm). De drukval over de reactor is 0.8 kPa. De luchttoevoer is 118.8 kg/h.
5.9. Tweede oxidatiestap
De tweede oxidatiestap is ook beschreven in [20]. De reactor wordt op dezelfde manier op geschaald als de eerste oxidatiereactor. Er moet nu echter rekening worden gehouden met de vaste stof die ontstaat.
In bijlage 10 wordt de minimale roersnelheid berekend waarbij de vaste stof net niet uitzakt. Deze is zo laag (0.35 rpm) dat de aanwezigheid van vaste stof voor verdere bere-keningen verwaarloosd kan worden.
-16-•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
Alle berekeningen zijn venneld in bijlage 10. De reactordiameter en reactorhoogte zijn beiden 2.0 m. De drukval over de reactor is 0.18 bar. De verse zuurstofstroom naar de reactor is 0.06 kg/s.
Aangenomen wordt dat per mol omgezet V204 0.5 mol O2 verbruikt wordt. Uit [20] blijkt dat slechts 6/7 deel van het V 204 wordt omgezet tot V 205. Dit is 6.6.10.4 kg/s zuurstof. De grote ovennaat aan zuurstof wordt via compressor C31 terug de reactor inge-stuurd.
De reactor wordt op 90°C gehouden door de temperatuur van de ingaande vloeistofstroom met warmtewisselaar H34 te regelen.
5.10. Vacuum filtratie
In de literatuur [21] wordt een 5 wt % corvusietoplossing gefiltreerd. Bij 0.7 bar en een cakedikte van 3 mm is de filtreerbaarheid van de corvusietoplossing 660 kg/m2
/h. Aangenomen wordt dat de 2 wt % corvusietoplossing uit ons proces dezelfde filtreerbaarheid heeft.
Uit de wet van Darcy kan worden afgeleid dat voor de cake permeabiliteit geldt :
Voor de tijd die nodig is om 3 mm cake op te bouwen geldt :
t =
(TJ.a.f.Q2
+TJ.R.Q)
óP.2 óP
(6)
(7 )
De weerstand van het filtermedium zelf is onbekend. Verondersteld wordt dat in [21] bij de filtreerbaarheid van 660 (kg/m2/h) de totale weerstand over het filtermedium even groot is als de totale weerstand over de cake. Op deze manier wordt een indruk gekregen van zowel specifieke cake weerstand
a
als de weerstand van het filtermedium R.Indien de cake dun is zal de filtratie sneller verlopen. Een dunne cake is echter moeilijker van het filtermedium te verwijderen. Daarom wordt het voorbeeld uit [21] gevolgd en gefiltreerd tot een cakedikte van 3 mmo Uit formule 7 volgt de tijd die nodig is om 3 mm cake op te bouwen (t
=
32 s).Indien verondersteld wordt dat 35 % van het filteroppervlak in de slurrie zit en de lengte/diameterverhouding van de trommel gelijk is aan 1 (zie [22]), dan kunnen de dimensies en de omwentelingstijd van de trommel berekend worden. De trommeldiameter is 0.21 m en de omwentelingstijd is 91 s. De verhouding tussen de hoeveelheid wasvloeistof en de hoeveelheid vloeistof aanwezig in de cake wordt de wasverhouding genoemd. Deze waarde wordt overgenomen uit [21] en is 31. De wastijd wordt dan met de vergelijking van Ruth berekend en is 11 s. De benodigde hoeveelheid waswater is
226 kg/h.
-17-•
•
•
•
•
.
'
•
•
•
•
•
•
FVO
DEMETALLIZATION CATALYST REJUVENATION
In [22] wordt het ontwateren van de cake behandeld. Het blijkt dat de meeste metaalmineralen in lOs zonder problemen tot 10 wt % ontwaterd kunnen worden. Aangenomen wordt dat op de trommel genoeg tijd over is om de cake tot 10 wt % te ontwateren.
De totale filtratie efficiency wordt genoemd in [21] en is 97.54 wt % .
Zie voor een uitvoerige berekening bijlage 11.
5.11 Warmtewisselaars, pompen, compressoren en cyclonen
Voor de berekening van de warmtewisselaars, pompen, compressoren en cyclonen wordt verwezen naar bijlage 12 tlm 15.
-18-•
FVO DEMETALLIZATION CATALYST RE.lUVENATION
• 6. MASSA- EN WARMTEBALANSEN
