De bereiding van vloeibaar zwaveldioxyde

. "

"Laboratorium voor chemische" ,"echnologie.

Verslag behorende bij het processchema van

K.Kuiper.

onderwerp:

. "~.,

de bereiding VE;n vloeibaal zwave.i.dioxyde: aan -de hand van een proces ven Allied Chdm.~rid , Dye Corp. beschreven in B.P.775.020.

adres: De Vriesstraat 20, Delft.

-Datum. 12 juni 1967

, "

'. ,"

.

, . I , •• , •

, ~

/ ::

~t

. sàtÏuhiV'a,tting -;ván de technische kenmf;rken van

h~t

: i; " " , . ~

. ',., .... :yü~iding. '.

technische bereidings. mog,elijkheden. . . ~ "" .

~~

..

~",

lleuze

"'proées '~

~ • I :

",

'keu'ze

van de grondstof

'fen. . pro,d\lctiehoeveelheÏ'd •

. B schrijving Van het proces.'.

Het inbedrijf 'stellen ,van de fabriek. S'Bsabatanè,,'warmtebalans

Pbysische en chemische aspecten •

. Bespreking van, de gebruikte materialen. Berekening 'van ,dè apparatuur.

Berekening van,deventuri reactor. 'Berekening van de spli t ,:feed reactor.

, "

Berekening van de absorbcur.

Compressorvermoge~ van de zuigercompressoren. Fractionneerkolom.

...

Overzicht specificatie apparatuur in volgorder van

'. het p:I'oces. Literatuur.

,

,

r

.

,

i: ~ ... ~ '. ~ t ,t. .

.

. ' .

" .

"

van de ... : ,

.

.

Er zijn \Têrschillende processe·tj ter be;>eiding . van·

·vJ.,oeiba~ar zuiver (= lQO%)zwaveldioxyde . bekend. ,,'.

lièt

·

in di t ve,rslagbesproken proces is in principe het proce~",

've~lct in l i t (1) van Allied Chemical end Dye Corporati,ontt ' 'r.

, r'wordt uitgegaan ve,h vloeibare zwavel(SL) enga'svor~~r' .

zwave-l trfdxy~e (SO,). De vloeib~re zwavel

(Si)

wordt. 'in e,en '

ee~st react~r verdampt door een gedeel:tfvan de . zwavel-(SL>

pret zwave}:trioxyde(SO,) te laten rea~eren.Dedoor de e.x~t1t7 ·, ;e~~' reactie vrijkomende warmte J{ordt gebruikt om de rest " ·de'·;z ..

ä~tI

te verdampen.

De reactor wordt ui tgevoerd als venturibuis, waarbij de - ,,' . vloeibare zwavellS_L} in de keel van de venturi ,!ordt gesp~ten~' ,:'

In de tweede 'reactor wordt' de gasvormige zwavel(S) uit de. '"~" eerste reactor in reac,:t;.ie gebracht met ga.svormig zwavel trioXYdètso,> Deze tweede reactor wordt ui tgevoerÇl als 'een spli t ,:reed' buisr~s.çtor.

De reaetieruimten in de tweede reactor worden afgewissf,:ld"

·

dP

.

cir

koelers, die de q,oor de reactie ontwikkel_~ de warmte afvoeren_{. . .} . " ,':' ,::'

. ~ ~ ".

De zwavè1.dioxyde(S02)wordt met zwavelzuur(98 .. 0 'gew,%) : van "'.'

.zwaveltrio~de(S03) gezuiverd in een waskol~m(gepakte ko.lom)er: "

daarna ge~omprimeerd en gecondenseerd.

Verdere zuivering vindt plaats in e.en fractionneer,kolom uftgevo$-t-d als schotelkolom • . De 99,999% zuiv~re zwaveldioxyde wordt bij 32~C:. vloelbaar afgeleverd.

Verlangde productie: 100 ton per dag. i '

".

" r < ,

,"i <," J

l1 _{t ,} ~~leiding

I

'"

.

Zwaveldioxyde ls bij k~mertemperatuur en onderatmosferipch~

dr~k een kleurloos gas met een eigenaardige reuk

èn

e~ua~.

Het kookpunt onder ~tmosferische druk ligt bij -l.OoC. . .,:",'''t~'

o ~.

Het smeltpónt ligt bij -75~5 C.

:r

Met. lucht vormt het g&S geen brandbare en expl,osieve niéngsels •.. ,,"

~. .

.

Door verdamping van è-e vloeistof, kLn een temperatuurverlaging, "

tot -50oC bereikt worden.

Zuivere zwaveldioxyde (·1.00% SC₂)wordt toegepast bïj de

sul-

~

fochlorering v~n koolwaterstoffen. Verder wordt het gebruikt

ale

~

koelmiddel, als 'oplosrdddel (b.

v.

van aron:a:ten), _. f:ls bI eekmi ddel

.en

'~

.

els

desinfectiemiddel. In de voedingsmiddelenindustrie wordt. ~et toe-'

gepast als conserveringsmiddel.

lit.(2) lit.(3'

. Technische bereidingsLo&~lijkhed~n.

r

O

Absorptie_v&n zwaveldiàxyde (S02) ln water of alkali.

IA: Absorptie in water.

Zwaveldioxyde ( ~C2? wor~t uit het (S02) houdende gas

heerd in met cokes gevuld~ regentorens en door verhiitirig weer ~ ~.

uitgedreven.

De oplosbaarheid van S02 is bij lage partiaaldrukgering.

Daardoo~ zijn grote apparaten nodig.Het stoomverbruikis hopg.

t

Een moderne werkwijze is die waarbij 'onder druk geabsorbeerd wordt.

De

0Ilosbaarheid van

, ~ind r. ~et groo:ste

· ~ts annlngsturblnes

wonn~n. Er is echter

SC

2 i s nu groter en het stoomverbruik wordt.:f

deel v&n de benodigde energie wordt door .' .'t.',,,.

. , te

en benutting van de afgaswarmte terugge- . ·

Een grotere wanddikte nodig. I~e verkrege,n '

502 moet van water ontdaan worden. De apparatuur wordt

bruikt voor verdunde gassen •

.

I

Absorptie in alkalsch medium.

worden bebruikt zouten van

Z,Q-\lten en l~flitisclle

..

.

..

~ ,.

'"

aminen

-

:~.

k~lk;

_MgO,NH;,Ns2C0_{3 "}

'~

'.

à) .. Op grote·' $.chaal: 302 ui t indus,triegasse,n met kálk

b

Y

Oplossen in ammonak

S02 wordt met stoom, of

Met zwavelzuur ~ S02

- - - : . . . Ca( HSO~) 2

,

>

,_{NH4 (HS0}

₃₎

, "

met zwavelz,uur ui tgedreven • .

,II ' Diepkoelen van,roostgsssen met S02 condensatie.

De contentratie van

_SC2

in de roostgassen

is 6-7%.

He.t

gedroogde gas wordt tot

5

ata. gecomprimeerd en afgekoeld. tot _22°C. Res'terend water scheidt zich af. Daarna wordt met a~oniak tot -39°C gekoeld.

tIl Reductie van zwaveltri,Oxyde met zwavel.

De op deze reactie berustend~ processen zijn dnder te delen in

twee

groepen:

A.

Als reactiemedium wordt oleum gebruikt.

B. De grondstoffen worden direct met elkaar in contact

, III A. 1 f _{Oleum + Svast.}

Voorbeelden:

a. I.G.Farben 1932 lit.(4).

Vaste zwave~ brokken in reactietoren. Hoogte

t

6m Onderin 23% tot op 125°C voorverwarmde oleum inleiden, bovenin,S02 gas aftappen. Reactietemp. 115°0. Reactor moet goed'ge!soleerd worden.

b~ I.G;Farb~n,Biosrapport. lito (5)

26%

(neum

van 110 - 120°C onder in reactievat, leiden. Be'venin zwavel brokken doel1. Reac ti emengsel roere:o.. '

'" '~':' ;< '.'

i' .. ~ . . . ~ •

..

.

.

, , < : '

zui.eren van S03 door zwavel "filters~

zuur. :De rèactor heeft een verwarmingsmantèl.

c.

Cie.de Saint-Gobain lit.(6)

Zwavel wordt iil 'gesmolten toestand continu gebracht

in

ee-n

..

. geroerde tankreactol:.die oleum bevat waarvan de temp.',

beneden

" "<',w..,

het smpt. van zwav41,1 wordt gehouden do,or een koelmante. \'~! De S 'druppels ,stollen tot vaste

S

bolletjes.

," A-tvoer van de oleum die het reactiemedium vornrt _" '

voer van de S03 rijke oleum vindt discontinu e~ plaats via een fil ter •

. De reactor heeft een verwarmingsmantel .• , ' IIIA.2. _Oleum + zwav.el(vloeibaar) Voorbeelden! a. I.G.Farben 1932 (lit.?)

.

Oleum reageert met gasvormige of vloeibare zwavel bij 80 - t50oC., S03 reage~rt grotendeels 'zodat behooilijk

zuiver HzS04 overblijft~ Temp. reactiemengsel 80 ,- 15QoC. b. Stauffer. (lit.S)

I

Gesmol ten zwavel en gasvorrr.ig of vlo e:iba",r

s

'

h)

worden ge' ;_'if:,?

~racht

in een geroer'de

tankr~actor.

Als reactiemedium is ,

t,~.;;"

zwavelzuur aanwezig. Teml'. reactierr.engsel' 120 - ,1500C .. ' I

'De reactor heeft een koelmantel.

IIIA.3. Oleum + zwavel(gas) . , Voorbeeld: zie lit.7.

• I

IlIB.l. S03{gas) + zwavel (vast) Voorbeelden:

a. C.I.B.A. 195t.(lit 9).

S03 gas wordt onderin een toren 'met vast S geleid. ,

Bovenin wordt S02 efgevoerd,dat wordt gewassen m~t gec.: zwavelzuur. Om smel ten , van de zwavel te" voorkomen wordt

T'

°

gekoeld ~et water. ~mp. 50 -100 C.

De. ~wavel tI:t~l:ters" b~fproken in li t.. (5) • . : \I S02 v-eront-reinigd .Ifê.t SC, wordt geleid door e

met

·

S

bro~keri. De

SO,

werdtomgezet' tot

S02-geen waterkoeling riodig zoal~ bij a.

'

111B.2.

Sc,(gas) + zwavel (vloeibaar en gasvormig).

~ ~ . . ·Voorbeelden:

a. Allied.Chem. and Dye Cor~. 1957. (li t 1 ) ..

Twee reac,toren: . de eerste

jr.

sa.,

gas wordt geleid. Door de vrijkomende reactiewarÎn~~ ,

. .:.; . ,dampt . de, overmaat zwav~l, di e Ir: de' tweed-e reac.tor met .. een

.'

overmaat SO~ ges reageerd •. ,

SO, wordt uitgewassen met 98,0% ig. zwavelzuur. · Temp. 1° reactor: 343 444oC~

Temp. 2° reactor 316 343°C.

_1_1_I_B_*_3_" _ _ _ . S_0.ç.i...:.._(·_v_l_o_e_i.~a&r) + ~wev€l (vloei.baar) * Allied Chem. and Dye Corp. 1957 (lft 11).

Onder hoge druk reag€re~· vloeibaar S en SO, !Let elkaar iti een hoge druktank !Let rectificeer opzet.

502

wordt-in"deze rectificeerkolom gezuiverd van

SO,.

In een fractionneerkolom Vindt verdere ·zuiveing.van de S02 plaa~s.

Druk 13 -50 at. Temp : 127°C -160°C.

t!IB.4.

SO,g8S + zwav~l (gas).

~Stauffer

1939.

(lit

12).

esmolten zwavel wordt in een verdamper verdampt door'een

d~elte ·van de hete gassen uit de reactor er in te leiden •

.

In

de gassen die ui t de r.eactor komen bevindt .·zich een ; overm~at S03' zodat-in de verdamper ook 'al reactie pi~ats vindt.De .a~s.een ui t d~ verdamper gaan naar de ... a~~Ql!, waar ' · ·

SO~ ui.teen oleUindestillatie toegevoegd wordt.

~

. .

,

L

.'. -. l{euZé pro~.~-.:. ' , ,

Als proe s-type werd gekozen het p-rbces \Ten Alli " . 1957 genoemd o'nder III8.2.

VooJ:' . ~n nadelen v€:rbonden aan het gek(),zen gelijking

m(t de

andere processen.

>

.1

0 ._ . De b€reia~r;l~ Van -100% zwaveldioxy'de _

; 0

,, 2 •

:S03 + S~S02 (~enoemd bij technische béréi,dingsm~t "

onder 111 )' is eènvoudig met de absorptieprocessen -of".'

diepkoelen van roostgassen (genoemd

onde~ ~

resp. ll-' bij: -teehn. b

r.

ffiE.th.)

Voor uitvoering ven die proe_essen genoemd dnder

is veel .energie vereist

Bi'j de processen

stoff-en gemakkel"ijk

worden en de vorming ,ven bijproducten is te Economisch v~rantwoorde uitvoering van deze,

sen is wel af'hankel:j:jk van de a4nwezig heid vaneen zwavelzuurfabriek.

Het werken met zuiver zwavelt,r-ioxYde heeft t.o.v. he-t '

ge-

l brüik 'van ole'urn het voordeel dat men geen last heeft V'

. ". ". ,.",'

, zwavel vero,treinigingen in de olè~die mO,~ilijk te 'ver- }.~ , ,wijder&n' zijn. Vaste zwavel moet ui t de afgewerkte oleum ,':~':.

,gefiloterd worden om verstoppingen te voorkomen. Opgel~st ,'~4:, zwavel kan alleen verwijde'rd worden door het zwavel,zóur'"i'

met wat~r te verdunnen tot ongeveer 60% H₂S04,_ '

Een nadeel van he. t werken' mOet zwavel trioxyde ges of

-vloeistof is dat de zweveltrioxyde eerst -uit oleum,gedes

~i~leerd -moet worden, wat veel energie kost.

- • I

Om de zW8veitrioxyde te drogen moet het gas en gerectificeerd worden. (lit,. ,)

In de tweede reactor genoemd in lit.(l_, ; > kan vloeibaar _{_ ,~} d~ri _f, wel gasvormig zwavel'trioxyde worden gesuppleerd.· _ · · ~:l~

noeibear zwavel trioxyde heeft het vOÇ>,rde'el dat het de 'iri~t~

,ke.n_absorb€.r

n.

"

.

Keuze van de grondstoffen.,

at

,

ZWave;l_

"

Zwa~~;l ko~t in vrlJeen 'nageno,eg zui veret,o "stá1:ld in

,

'nat~ur

voor, ( LacqFrankrijk ) maar wordt:

90~biJ ~~i"",,,,

,

.-

,,~,",A

finaderijen gewonnen ( Pernis ,Nederland.)·.

De voorkeur geniet de zwavel ui

t

Laèq omq.at deze, vrij'," ,

<koolwaterstóffen is. (Koolwaterstoffen geven leool entee.t"~:a~­

',~ettingen)De zwavel die i~ Lacq wordt gewonnen _.,

bes

~ taat:

,

\.Ü

.~~

t

99J9~

,zwavel en 0; 1% silicaten. Bij win.ni'ng

vati

,

natuui'll

~

~

~

e

,zwavel m. b. v.' .he t

Fra.~

·

chproé~dt1

treedt verpntrei'niging'

tri

·

~

.

oL .;, •

1

water op. .. "', ~

De. zwavel wordt gezuiverd d.lL.v. destillatie. De 'gii.<~··tverd.

, , ' ,~ ~

zwavel Jean in vloeibare dán wel in vaste vorn)' (pijpzwa "e},l,

getr'anspol'teerd worden. Als vloeibare zwavèl wordt' aan~"'&",,,,

, , " '''>

gevoerd moeten dE.. opslagruimten en toevoerleidingen op' .,e' ,$i

'" : 0 0 ' . "~

temperatuur van 120 - 150 C geho~den worden (steam tra '

, ' . 0 ' . ~ :<1'~· ~

isolatie.) Bij 150 C heeft zwavel (SL) de laagste ,viSéosl:~i t

(9.10- 3 Ns/m2 ) ,', '

b., Zwavel tri oxyde •

,

l

'

, Zwav,e,trio~de word t gedestilleerd ui t oleum.

' geschiedt ket hete gassen (b.v. contactgas) • ~e uitgs{ind ::1"

oleumheef't ' een concentratie "> , 20~ vrij SO,. Bij een ~n.~.

<

20% wordtq.e oleqm corrosief voor de' stalen' materia3;:," ,. De

ingaande~

oleum hèefteen conc. van b.v. 35% vrij

SO,

'

.

-,:~~:'

De af'gedest1.lleerde , 80

3 moet water vrij gemaa~t worden.-C:1C .3)

Productiehoeveelheid~

J ,

.

. . ;. l'r:'\

De productie van vloeibaar zuiver zwaveldioxyde bedraagt ~;~:j

. . .%~~

'100 ton per dag. Dit is wel(wat hoog i.v,m'. 4e g-6schatt~ :oe~~>;

pa$s:L.

:',

•

Bij kleinere hOeveelheden zou de diametèr-vl;ln d~:, .~$'

tweede reactor echter te gering worden. (Deze i~ · bij 100

ton

':>\;.:'

vloeibaar S02 per dag berekend op 20" ).

~

Pläats van"de fabriek. ~,

.

Overwegingen bij het zoeken naar een economSch

sing van· fabriek en inrichting zijn:

1

0 • 0 2 . , 30 •

4°.

5°.

6°.

70 •

8°.

9°.

gemakkelijke aanvoer van

bouw-aanwe~igheia lvan Goede en goedkope bouwgrond

geringere bouwkosten.)

facili~~iten van overheid en gemeente ( hinderwet.)'

een goed .arb€iderspotenticel.

mogelijkheid tot ~itbreiding.

goedkope aanvoer van grondstoffen.

goedkope afvoer van Qet product. (markt) goeqkoop en bOéd koelwater.

, "

Beschrijving van hEt proces.

De voor het proces benodige zwaveltrioxyde(S03) voeding

wordt gesplitst in Een deel(20% van de totaalhoeveelheid toegevoe-rde S03) dat toegevoerd wordt aan de venturireactor,en een deel

(80% van de totaalhoeveelh~id toegevoerde SO~) dat wordt toege~

~ . ,

voerd aan de split fced reactor.

Het deel van de,

sn,

dat naar de venturi reactor wordt geleid

','

wordt geregeld m.b.v. een regelafsluiter die bediend wordt door ee~

T R C (temperatuur registrerend ~n rebelend instrument)

, , . va.1'\

De temperatuur dle g~meten wordt lS dle het gasmengsel dat uit de venturi komt.(=340oC)

De hoeveelheid zwavelCS_L) die ln de keel van de venturi wordt spoten,wordt geregeld met een F R C(stroming registrerend en

regelend instru~ent). De temperatuur van de toegevoerde zwavel '

\

wortlt op 1 ~OoC gehouden door steam tracing isolatie van de zwavel .,1

toevoerpijp.

Het uit de venturi reactor komende ges(een mengsel vanzwavel

CS) en zwavJdioxyde(S02»wordt in de boveste reactiekamer van de split feed reactor gebracht. Er wordt zoveel zwavJtrioxyde aan '

toegevoegd(regeling ~.b.v. een

T Re)

dat de temperatuur van het •

reactiemengsel 4200C bedraagt. Dit mengs~i wordt tot 320°C gekoeld~'

'"

in een~nder de' reactiekamer gelegen vaste verticale pijpenkoeler • .

Het gas stroomt in de pijpen naar beneden(l pass). Als koelmiddel

-wordt gebruikt "Mobil therm 600". De hoeveelheid "Mobil thermi_{600" ,,'}

.-wordt geregeld via meting van de ui tgangstemp. van het koelmiddel'-..

" Het gekoelde gas komt na verlaten van de koeler in een tweede j

reactiekamer.

De split feed reactor bestaat uit 6 reactiekamers (temp.reae-tiemengsel 420 oC) en 6 koelers (gasmengsel wordt gekoeld tot 326

o

i.

In de laatste reactiekamer wordt een overmaat zwaveltrioxyde(S03) gebracht.

De uit de koelers van de split feed reactor komende "Mobil :

therm 600" (temp.260oC)wordt gekoeld in een stoomketeltje

( tstoom

=

130°C;

Psto~m

=

2,75 ata.) De waterhoeveelheid wordt geregeld m.b.v. een T R C die de temp. meet van de "Mobil therm· .

~OO" die naar ,de koelers van de split feed reactor gaat (220°C )'. ~

Het uit de spli~ feed reac~or ko~ende reactieproduct(zwavel~ ~

dioxydegas verontreinigd met 3 vol.% zwaveltrioxyde) wordt eerst in een warmtewisselaar gekoeld tot t140oC, waarna het gas gezuiverd

. ,,~W,Qrdt va.n zwaveltrioxyde(S03)m.b.v. 98,0%, zwavelzuur in, eenf

ge-'. ':1> akt; , b$or.p.tiekoloIn <

.'

De eindconc. van het zwavelzuur is 98,6~ H

2S04• Na met water in

een mengbak met roerder weer op een sterkte van 98,0% H

2S0

4

ge- ~ bracht te zijn, kan het zwavelzubr via een koeler weer naar de ' ,

absorbeur teruggevoerd worden.

Het iri de absorptiekolom geproduceerde zwavelzuur kan in de

mengbak via een overloop afgevoerd worden als 98,6% H

2S0

4

(vbbr

menging met water) ,waarna het naàr de "contact" zwavelzuurfabriek

gevoerd wordt.

De hoeveelheid zwav~lzuur(98,0% _{H2S04 )die} aan de absorbeur

wordt toegevoegd is afhankelijk van de overmaat zwaveltrioxydè ~' (S03),evenals de hoeveelheid wa~er' die aan de mengbak moet wordeb toegevoegd. Beide hoeveelheden worden geregeld met een F R C •. ',

De stroming die gemeten wordt is die van de zwaveltrioxYde(S03) ,

toevoer naar de laatste reactieka~er van de split feed reactor. '

=

De zwaveldioxyde(S02) die de absorbeur verlaat is nog veront-reinigd m~t 0,1 vol.% zwaveltrioxyde(S03) en met zwavelzuurdruppele

De zwavel~uurdruppels worden in een cycloon verwijderd.

De 99~9 vol.% zuivere zwaveldioxyde(S02

2

wordt nu in twee

trappen m.b.v. 2 turbocompressoren met tussenkoeling gecompriméerd

van 1 ata-tot 5 ata en daarna in een condensor gecondenseerd.

Temp. vloeibare zwaveldioxyde 320C. De zo ontstane vloeibare

zwa~eldioxyde kan worden afgeleverd of eerst nog verder

ge-zui~erd tot 99,999 vol.% in een fractionneerkolom',uitgevoerd als

I

sChÓtelkolom.(Grote belastingsvariaties mogelijk).

Het product dat uit de kookketel van de kolom wordt afgetapt

(90 vol.% S03) is ga_{svormi b} cn wordt (na ontspanning van

5

naar 1 atmosfeer) teruggevoerd naar de zwavel trio'xyde(SO'l:) lngang van

./ de venturi reactor.

Het in bedrijf stellen VLn de fabriek.

Bij het starten vun de fabriek wordt dE lucht uit

latie verdreven door onder EEn ;eringe overdruk een

Massab&lans.

De stof-stromen in de ffiassab&lans worden uitgedrukt In kg/sec.

Bij de berekeningen wordt gewerkt IT.ct mol/sec. De warmtestromeri in de warmtebalans worden uitgedrukt in kJ/sec. Deenthalpiel!n

b~

van SL ' S03G ' SC 2C ' en H20L zi~n

=

°

gesteld~r wordt uit - : .

gegaan van vloeibare zwavel(Sr) en, t;asvormige zwavel trioxyde (SO,'), Venturi reactor: de vloeibare zwavel (SL) en een gedeelte van de

gasvormige zwaveltrioxyde (SO~) reageren met elkaar tot gasvormig

./

zwaveldioxyde (SC

2)'volgens:

SL

+

_{2S03G =3S02G}

Alle overmaat zwavel in de venturi reactor wordt verdampt. Er

geen oververhitting plaats.

Split feed reactor: gasvormIge zwavel (S) en eEn overma5t gas-vormige zwa,vel trioxyde (SC,) re&,geren met elkaar tot gasvormige zwaveldioxyde (S02) volgens:

SG + _2S03G

=

_3S02G

SG is hier een m(ngE~l van voornamelijk SSG ,S6G ~n S2G •

Absorbeur: de aanwezige zwavEltrioxyde (SO,) uit het gasmengsel

reageert met water (II

2C) tot zwavelzuur (H2S04) volgens:

S03G

+

_II20L

=

_H2S04L

Berekeningen:

Venturi reactor:

Stel:

a

=

SO,8 strooIT. naar de venturi reactor (mol/sec) d

=

SL stroom naar de venturi reactor (grat/sec)

r.f.assabalans: In; a mol S03G

,

d grat SL Reactie: a S03G +

~

a S1

=

Uit:

~

a

mol

S02G (d

~

é.)grat ?G • I 1 1

Warrr.tebalans: H(SO,Q)

=

50,70C t - 25) J/ffiol H(SL)120oC

=

4.418 J/grat

,

H(SQ)340oC ~ 21,78.10 J/grat. (lit 13.) (lit 14.) (lit 14 en lit 15) 0,1453(t-25) of

0,CC0141~5'(t2

-25 2 ) -705.10-10Ct'-25 3 ) 2

3

x 64x 4,19 J/mol 3 -100,48.10 J/brat. _{S b b (lit.1G)} r ~on; •

1

50,70 x40 xa +,4418 d ~ 1CC. 48 x ~a

=

0 ,1453(340 - 25)+ L +0,00014135 (340 2 2 252)-

755

.

1C-10(340'-

25

3 )

64 x

4.1~

x

3

x ./

1

a c::

Tota~l te produceren hoeveelheid S02L 18,12 mol/sec

1 . d

=

)

x 18,12

=

G,04 crat S/sec. 'Z, a

=

lC4,38.10~ =2,48 ~ol. SC7 /sec 4.2;2C;103 / =0,1')8 kt;/EE:C.

Split feed reLctor.

Neem aan dat de reactiesnelheid zo groot is dat er volledige

omzettingen plaats vinden in de rcactiekamersCzie onder physische'

en chemische aspect(n.) Stel:

Na reactie ln een reactiekarner:

~

M

=

totale stroom die uit een reactiekamer wordt afgevoerd

PSO

f

.

.

~

.

r

(mol/sec)

.-;..

ij

=

S03~ stroom die aan Een reactiekamer wordt toegevoerd (mol/s~c)

b

=

SC_{2G stroom die 0an een reactiekamer wordt togcvoerd}

e ~

Sc

stroom die aan een reactiekamer wordt toegevoerd

Neem voor de totaaldruk p

=

_{1 a tIl';.}

M

₌

b + 3· . _21J +, 2g -t _{26 + 2} 2 (vgl 1 ) p= ₁

₌

PSO 2 + Ps + P6 + P2 lvg12) 1 • . gZg + 62 6. -t 22₂ ( vgl 3) e

-

~lJ

=

Voor de evenwichten In het zwavelgas geldt:

Kl

=

P6 4

,

k2

=

P~

- 3 , Ps Pg log _Kl

₌

29000 -+ 2T + 1 ,75 log T +4,3. 4,57T log K 2

=

95000 + 6T + 5,25 log T + 9,7. 4,57T (lit.17)

e~iffiinatie van ij uit vbl 1 en 3 geeft:

b +3e

=

3d

=

lS,12 ~e nEffien een ideaal gasmengselaan; .2

=

Z 1

hl

~.[ d 23 ~r 17KO,25 pOs,75 M - 5K0 2,25 pOS,25 ~

=

-

PSoo - 1

••

_~.,

·

.

Stel:

kS' _{K6' k 2}

=

mol.fracties van SSG' S6GJ S2G in het zwavelgasmengsel q

=

gemiddèld aantal aton:en ln een zwavetgasmolecule.

M

=

b + ~ ij + e

-

-

1 ij 2 2 q

iJ

=

gCM

b)- e

=

ij

~

q _

~

B vgl 5. 1 Za ~ ka( e - ~ ij); 26 =' _K6 ( _{e -}

₂

1 _{l J ;} .. ) 2 ₂

₌

k ( ₂ e - _~ ~ l'J') ~ ~ q q q

." , -.' b x H(S02C)uit + kSe 2q U,' t 1 H( _. S03) _l.n . -+ ~ _{c.. ~} A F _or + kS 2q uit

=

ij . A x HCSS)uit -+ k6 2q ui t x H(S,,). ' '<I; ln

Te vinden door "triGl and error".

Mol.Enthalpie~n •

( ) 6 6 t 2 _ c -6 3

H S02G = -98 + 3S,9 t -+ 0,01895 v,30.10 t J/mol. t in

l

'"

(Berekend uit: cp(S02G)= C,1453 + O,OC014135t

~

7d5.10-10t2)(lit3Y

H(S03G)= -21.031 -+ 53,S(T

+1

,

59

.1

0

-~T2

+ 10,612.10 5

T Berekend uit

=

D -+

b

T

-

c

.T

in oK

"T

2

J/mol.

a, b en c werden oPe-;el os t ui t C (SCy,)waarden

: P u •

•

H(veJ.>zadigde zwaveldaffip) 3400C = 20,475.10 3, H(SSG)= Sl.655 + 104,75 T + 7 , 3 7 • 1 0 -3 T2 J/mol Ss ,R(S6G)

=

91 • S70 + SO,66 T + 5,53.10- 3T2 _{J/mol S6}

(li

1

6

)

, ".~ ~ ~

..

'. ~' ~'

..

~~', ,

.

.... 1--....

.

,

,

..

16 H.(S20)= 120.136 + '32,47 T + 1,84 .. tO~3T2 _J/uiol

Berekend uit waarden, gegeven inlit(19)

'Mol.enthalpie~n H(50_{2G )420oC} = 18.252 J/J.ol. H(S02G)320°C. = 13.216 H(SC 2O)340oC _{= 14.203} H(SG)340oC

=

20.475 H(S80)420oC _{= 157.785} HCSSC )320oC

₌

146.364 H(S6G)4200C = 150.421 H(S6G)3200C

=

141.646 H(S2G)420oC ::: 143.521 H( S2G) 3200

_'c

=

140.C38 E(SC3G )65OC

=

1 ,941 H(SC 3C )420oC

=

25.475 II(S030)320oC

=

18.301 Dcrekening van ij

Reactiekamer 1 (temperatuur uit gaandE: bassen

₌

4200Cj

"

teIT.p.(SC

3 1..1 ). In ::: 65°C; temp. (S02G) in en(SG) . ln =34qOC)

: Warmtebalans: 3,7? x 14,203.10 3 + 4,80 x 20,475.103 + 50.238ij'

=

.~

<;t:

l

=(3,72 +

~

ij)18,25Z.1C 3 + k8 (4,80 -

~

ij)157,785.10 3 + q + _k6(4.80 ·-

~

ij)150,421.10 3 + q k 2(4,80 -

~

ij)143,521.10'3. q

i It;~

.

~{

.,

.

. ~ " . ~, ,l\i, .... t:.'";

',:':.

,"'( , , ~'. ~. '.of. ~., ...

.

,. , ., ; , " • ~ It-;~ ~o.;.;(. ~'f. ~,; .. . " ls.:. t.:.' f. ~~\

f·

""l'

't:

~'. ~:. H-k.

•

.' } ~ ~.

~'!

Y' <

f"

f. ~ " " 1; ~ 1'· ~ ~ " , 'v " ~

..

, ,I' ' ':.: 3,72 x 18,252.10/ + k8 x 4,80 x 157,785.103 + quit ijA = 1,941.10 3 +

~

x 1CO,47G.1C 3 + k8 2Quit x 157,785.10 3 + '7 ',.+ _k6 X 4,80 x 15C,<i21.10/ + k 2 x 4,80 x quit quit +

_kG

x 1 50, 42 1 • _{10 3 + k2} x 2q 't _UI 2q _UI 't 3,72 x 14,203.103 -

~

x 18,252.103 ~ .757,37 k8 + 721 ,37 k" +

un,

')0 ~ q ,q ij -; , A, 78,~9 _{k8 + 75,21 k6 + 71 ,76} 1-f-..2 Q q q( M - 3,72)- 4,80 ijB=---. 3 1 ~ q - ~ M

=

18 , 12 t,·O,25 = ""'1 Cl. 0,83 143,521.103 1\:'")

-

83,22 -q +-24,80 .. 0,25

=

i'..2 2, 1 • 10 -2 (420 C) 0

1~3

,521.103

+ • Jf& + •

f'~ ""Jo f 1 .

..

,. '.-. I

'. ·_{Neem verschillende w&arde voor P8 en reken ijA en}

Ps

P6 = P2 s:: ." .' .. Ps

1q

I ,~.

~

M = 0,83 x 0,0877 2,1 .10 -2 x 0,444 390 x 8 + 728 = 1 21 1 181 12 1 +0,897 + 1 ,238

ijB

= 0,214, = 5,082.1C- 2 ; kC q lJA = 0,872. x =0,0390 =0,0728 =0,0093 ₊ =0, 1 21 1 6 + ₉₃ x 2 = 6,337 = 5,69G + 0,046 '" = 9,487.10-~; k 2 = 1,212.10 -2 Cl lJn

Als P8 =0,0400 dan IS IJ" _D

=

C,408 E;n ijA = C,868

I Gevonden wordt: ij = 0,8ï.

Voor de war~testroom wordt gevonden:

I I

0

_w (S02) +

0.

(S)= 91,77 + lC4,86 = lJ6,G3 kJ/sec.

ui t.

Berekening van de warmtestroom aan de uitg&ng van de eerste koeler: (temp. 320oC)

Als .P8

=

0,065; P6

=

0,0413 q

=

7,223

~

8,47.10-2; k6

=

5,38.10-2_{; k 2}

=

°

q q

,

-.

.

,

Warmtestroom:

_0w

(S02) +

0

_w (S)

=

66,45 + 87,32

=

153,77 (A H) koeler 1

= -

42,86 kJ/sec. ,/

RBBctiekamer

·2

(temp.

420°C) Warmtebalans: 1.941 ij + 153,77.103 + 50.238 ij =(5,03 +

~ij}x

x 18.252 +

k8(4~36

-

~

ij) 157.785 + _{k 6 (4,36} -

~

ij) 150.421 + q q 1 + k₂(4,36 - 2

lJ

143.521 q 688, ~,7 _k8 + 65(, ,44 _k6 + 626,32 k 2

-

G2 ,00 q q q ijA= 78,89 k8 + _{75,21 k6} + _{71 ,76 k,..,} L + 24,80 q. q q i j -~g~( 1;...:.=_-'5"-,'"-'C;;...::3'-')_----:4-"'-2.::..3...;:..6 B 1 _, h _{.J q -} 0 _, h'" _{... ~} Gevonden wOrdt: lJ = 1,22 (PB = C,0235; P6 = 0,0498; P2 = q

=

6,410 M

=

7,46; k8

=

4,67.10-2; k6

=

9,90.10-2 q q k 1 G7 1",-2) 2

=

,...

.

.

~ q

Voor de warffit€stroo~ wordt bevonden

=

125,28 + 92,27

=

217,55 kJ/SEC.

\

Warrr.testroom aan de ui t.;&n_b van de tweede koeler: (tEmp 32Ö-h- )

PB= C,C41C; PC= C,C29~ q= 7,1':8 N.= 7,43

-2 0 - 2

8, 15.1C ; _k6

=

5,8 .10

.. ~:.~:~~';: ~.'

20 K~/S

~

ij) x + 59'2,01 _{k8 + 564,38}

_kG

+"538,49 k₂ q . q q 78 89

ka

+ 75,21 k6 + 71,76 k 2

q

q q

6,86 )

-

3,75

.q - 0,50 wQrdt: ij

=

1,45 ( Ps

=

0,0133; P6

=

0,0325; P~ 2 ) aan de uitgang v~rt ij =1 4 kJ/ ec.

..

,

War~tebalans:

1.941 ij + 197,4.103 + 50.238 ij =( 11,57 +

~

x 18.252 + k8 ( 2,18 - 2 ij) 157.785 + k6 ( 2,18 - ~ ij)150.421 q q " + k₂ t ( 2, 1 g -

~

ij) 1 43 • 52 1 q 344,GO kg + _{328,52 k6} + q ijA= q 313,45 78,89 k8 + _{75,21 k6} + 71 ,7C k₂ q q

.

'

_{q (}

_M

_-

_{11,57)- 2, 19} ijB=---1 ,5 q - 0,50 Gevonden wO.rdt: ij = 1,96 q k..., L. + 13,50 Cl + 24,80 ( Pa

=

0,0024; P6

=

0,00900; P2

=

0,00465; q

=

5,140; M = 3,68i ~ kg = 2,91.10-2; k6

=

10.91.1C-2; q q q

•

•

0 .. (S02) + OW (S)

=

2G4,G9 + 34,86

=

2'39,55 kJ/sec.

Warmtestroom aan de uit~ang van de vijfde koeler:(temp.3200Cj

Pa

=

0,00540; P6

=

0,00637; P2 =C,00025; q

=

6,815; M = 14,69 -2 -2 2 kg = 6,59.10 ; kC

=

7,78.10 ; k 2 =0,39.10-q q q

.

.

"

.

~w(S02) +

0

_w(S)

=

191,66 + 25,43

=

217,09 kJ/sec. ( 4 M)koeler

=

-

82,61 kJ/sec.

Reaetiekamer 6 (t~~p.420oC) Alle restGrende zwavel (1,20

~eageert.Er wordt zoveel overffiaat S03 toegevoegd dat

het"reac iemengsel

=

420°C.

'i:~

· - ... t~--~ ---~--..--.-.-.-.~---... -.~,---,,-.-,-.

" <

Warmtebalans

----Stel:

m = toegevoegde S03G stroom (mol/sec)

m x 1.941 ot 217,09.10 3 ot 1,20 x 1CC.476 = m = 2,92 Over~aat S03 : 0,53 rrol/s~c. Dit is 2,8 vol %. , t 18,12 x 18252 +(my·2, O)X x 25.475.

'.

0

w (S O_{2 )} + 0. w (S 0 3) = 3

!

0, 73 + 1 3 , 2 5 = 3 4 3 , 98 kJ

I

sec.

Warmtestroom aan de uitgang van de zesde koeler:(320oC)

,

" ~w (S02) ot

0.

_{w (S03)}

=

239,47 + ~ ,52 =248,99 kJ/sec. ( A H)koeler

=

-94,99 kJ/sec. Î _lt· Absórbeur: , l~ Massabalans : ... In ; 0,520 mol S03/sec

uit: 0,018 mol S03/sec

= 41. 10- 3.kg/sec

'Z

=

1,4.1C-...Ikgh:ec

Er reageert: 0,502 mol/sec

=

40.10- 3 kg/sec. met 0,502 mol/sec = 9.0.10- 3 kg/sec.

In: 98,0% H2S04

Uit:98,6% H₂S0

4

x ( _{hoeveelhei d H20 di e per kg} 98,0% _{H2S04 reageert:}

Per kg 98,0% H

2S04 ontstaat er:

( 0,980 + 98x) kg H2S04 + (0,020 - x) kg Ir

°

=

'"

. ' ~ ,

0,020 - x 1 + 4,444x

=

0,014 _,J x

=

0,00565

Per kg H2S04 98~0% mag maximaal rea(;eren: 5,65 Per seconde is nodig: 1 ,593 kg H₂S0

4

Er ontstaat per sec : 1 ,633 kg Il

2S04 Warmtebalàns: temp ingaanJe gas~€ngsel

temp uitgaande gasmengsel temp ingaande E2S04(98,C%)

0:

(gas~cngsel)in

=

90,32.103 J/sec. ( ( Reactie:

_H2

0

_L

+ S03G

=

H

_{2S0 4L} +

L

Hr

98,0%) 98,0%~

=

140°C

=

30°C

= .

25°C gr H₂O.

LI~

=

-130,2 kJ/mol SO'G (lit.1B)

,

0

_w

(S02G)uit

=

3,80. 1

°

3 ";/sec.

,

0

_w (I{2 S04L)Uit

=

0,986 x 1,633 x 13819 ( t - 25) 98

•

0w

(H 2OL)uit

=

0,014 x 1, C33 x 4, 19 ( _{t - 25} )

( t

=

temp. tii~gaande _{E2S04 (98,6%)}

90,32.10 3 +

°

+ 0,502 x 130,2.10 3

=

3,80.103 + 0,986 x 1,633

3 3 .

x 138,9.10 ( t - 25 ) + 0,014 x 1,633 x 4,19.10 ( t - 25 )

Fractionneerkolom: Mass8balans:

IN: (99,9 vol

%

S02)of wel: SO~ :18,12 ~ol/sec

=

1,160 kg/sec 503: 0,ci18 mol/sec

=

1,4.103 kg/sec •

Ui t:

Boven: 9~,999, vol

%

_{S02 of wel:SC2 :} 18,12 mol/sec =1,160kg/s~c

-3 Onder:90 vol

%

s03 of'wel:S0

3:0,018 mol/sec= 1,4.10 kg/sec •

. '. -3

S02:0,002 ~ol/sec.=O, 1.10 kg/sec.

fhys i sche en cherr.l eche as pec ten.

GrondstoffEn:

Als grondetoffen worden ~Ebruikt zwavel en zwavel en

zwaVEl tri ox~' dE.

a. zwavel.

De vloeitare zwavel,die ~an dE venturi reactor wordt +oegevoe ~

tEvindt ~ich op e~n te~pcratuur V8n 120°C. Dit is dus juist boven

het ideal c. uwl tpU!1t VLn r:.e:1ok.:.i ene zwavll ( 119,3°:::;) •

De viscositeit V~L d( ~wLVEl ie bi~ 12CoC 12.10 -3 Ns/m2 en

~ >' C y . 2 ~. . ; h O " neeIT.t af tot ~ ' =9.1C-..1 i'~/'.. L-lu 1 /C ~ .

Daerna vindt een stErkE

sti~GiLg

;laatstot

~

=

57Ns/m2 bij

187oC~

Boven deze te~p. neemt de viscositeit weer af.(lit.21 )

(zie t;rafiek I ) .

De tccperatuur van de aangevoerde zwavel wordt op 120°C

ge-houden omdat een ~oglre te~peratu~r ffieer warmteverlies naar de

omgeving veroorzaakt. Je daling van de viscositeit tij hogere

temperatuti~ (tot 15C oC) is zo iering dat dit niet ~eel ln de

energie kosten voor transport v&n de zwavel zal uitmaken.

De eerste reactor("vcrdamper") is als venturibuis geconstrueerd

met zwav(lin~cctie in de kcel,officat tij uitvoering als tankreac- '

tor(zwû.velbad waarin zw&vE:ltriox.y':'e bEleiG worGt) r..ceili~kLeè.en

met het deorlEiden van ~as, ~evrEeEd werden.

De toeGevoerde zwaVEl wordt Can in het zwavelbad opgewarmd

van 120°C tot minimaal 340oC,en ffioet daarbi~ dus het sterk visceu$e stadium passeren. HEt is de vrULg of de opstijbEndc basbellen niet sterk b~hinderd worden door ~~ZE ~isceusc delen inde vloeistof.

Met de vEnturi rc&ctor wordt ~it probleem omzeild.

heeft Een darr.pdichtheid van 2,75

..

"

,

~

k

Product: zwaveldioxyde.Zie hiervoor de inleiding. Reactie evenwichten en -snelheden.

Zoals blijkt uit de berekenigen in het verslag van het

processcheffia van Peeters en Hazewinkel (de bereiding van vloei ... .

baar zwaveldioxyde. d.d. 21-11-'(6) zijn de reacties sterk aflopend.

b.v. SL + 2SC_3G , .... 3S0

2G (K Ev)320C

=

1027•

In (lit.S) wordt gesproken van een krachtige reactie tussen

25%-ig olcuffi en vactc zwavel bij 110-12CoC. Er zijn verder geen

gegévens gevonden over de reactiesnelheden.

Er wordt aanbenoffien dat de reactie zo snel verloopt dat wat

betreft de spli t feed reactor' vollclige omzetting plaats heeft

in de reactiekaffiers.( Er is gezorgd voor een goede ffienging,dus

een snelle stofoverdracht in de reactiekamers)

Over de venturi reactor is wei~ig concreets aan te nemen.

Bespreking van de geLruikte materialen.

Voor de vervaardibine van de apparatuur die bij het proces

h

gebruikt wordt kunnen de volbEQe rr.aterialen worden aangewend: a. Carpenter stainless nco 20

Samenstelling: C C,07% rr. 8. X •

r:.n

C,75% St 1 ,0% Cr 20 % ,,-. 1,1 29 % Mo 2 % minimaal Cu 3 % miniffiaal Fe rest Eigenschappen: fabrieage rek . trekspanni ng (

cs-

0,2) . treksterkte ( tJ B )

r

Brinell hcrdheid ontlaten. 50

%

3 2,41 .10 3 5,75.10 1GO 3 8,01 • 10 3 0,50. 10 . -6 16.9f>10 bar bar'

1 •

.

'

, .. ," '" warmtegeleidingsco~fficient ( 100°C) elasticiteitsrn 9dulus b. Durirr:et 20 Samenstelling. C 0,07 % Mn 1 ,5 %. Si 1 ,5 % Cr 20,0% Ni 29,0% f.lo 2,0

%

Cu 3,0 )t Fe r.est Eigenschappen: fabricage rek trekspanning( cJ 0 2)

_,

treksterkte ( a- B ) Grinell hardheid dichtheid u~tzettingsco~fficient(00C-1COo) warmtegeleidingsco~fficient(lCCo) 21 W/moC 5 19. 1 C bar gegoten,ontlaten 48 % 3 2,07.10 bar 3 4,48.10 bar 130 7 , 92 • 1 03 kgf m 3 -6

°

1 5 , 5 • 1

o

·

J /kg C 21 W/rr,oC

De samenstelling van Durimet 2C IS ongeveer gelijk aan die van

Carpenter stainless no.2C. ku~

De bewerkbaarheid van de laatste 1S echter groter(gewalst

worden). (li t.22 en 23)

Berekening van d~ a~paratuur.

,

Bij de berekenin~en van de appnrbtuur werd ter vereenvoudiging de druk in de tw(~de reactor en in dE absorbe~r 1 ata gesteld. :

In werkelijkheid wordt onder CErinLe overdruk ~ewerkt(ondErdruk

levert gevaar op voor tirlnenle~kcn van ~e o~~evin~sl~cht in het

syst€e~.)

Di

~ruk 8&n de in~ang van de Eerste co~pressor 1S 1,0

Berekening van de venturi reactor.

( Zie fig,I)

Er is' gesteld:

toevoer vloeibare zw.ve' door~ A~~ ~

.,

S03 t ... schul 1-1 32

yOJ

W WW1 .. I I I I ~ schaal 1-5 26 ..---..

~-l

I I i.!!.J WWL

I

~ <D <D Q F -'!ilctteruimte _ REACIORE~lzovLg6BAAR 502 BEREIPING KKUIPER ~ MATEN IN MM.

, , .. , . '. , . ~" _, T

liet gasmengsel bevat verzadi~de zwaveldamp. Dan is p~ ; 0,164 ate.

De zwaveimoleculen hebben een geffiidelde samenstelling S7 17

,

,

.

Uit d~ venturi reactor komen 4,80 erat S

=

0,68 mol 'S7;17 en

3,72

mol 802 , ' , "

=

0,68 0,68+3,72

=

0, 164 fig. 1

=

1 t 06 a ta.

Neeffi voor de druk 'van het gasIDengsel dat uit de venturi komt 1 ata(=P4)

Verder wordt aangeno~en dat:

a. Op plaats 3 de reactie vrijwel volledig verlopen is en de zwavel geheel verdampt is~

b. Dat de reactiesnelheid zodanig lS èat de gassnelheid 2 én 3 ongeveer gelijk blijft(Tijdens de

pansie op)

De gassnelheid in de keel (plaats 2 tot 3) wordt op 100 m/sec gesteld.(lit.22)

De gassnelheidsenerbie~n aan het begin van de venturi

Cv

=

lO·m/sec) en aan het eind van de venturi(plaets 4 :

word~n bij onderstaande be~ekeningen verwaarloosd t.o.v~ de

gassnelheidsenergie~n is de keel van de venturi.

~

.

I

". ,.~ . " oe· , "r , ... f-' .. --- .~-.--- . _.~ -... ~-. - .-"--.'" . (' " • >, k _{uitgaande gas} 1'002

=

2 xl,3 ( . 1 , 3-1 = lx 1 ,3

5

[

1

1101~.10 )

-1,79 (P3J_{d= 1 0.,'63 ata} 1 €aa (lit.24) (

2)

1 0,3

J

l,3 '

Als \

=

0,9 dan is(p~)re~el

=

0,

G7.

ata.

Neem voor de drukval OVEr de verwijding 0,08

atm.

Dan is (P2)re~el

=

0,75 atm.

kSO - 1,3 3 1002

=

2 x 11/3

O,}

x

~

P:

)

[

. - R MSO ~ =3,507.104 ~ P 1

=

0;8 7 ~ tm. NEem (Pl - P2 )re~€l

=

Dan is Pl

=

1 ata. , : (P1 - P2)ideaal 0,9

.

, "

Voor de berekening van de ~ichtheden wordt g~steld dat bij benadering geldt:

0,1=. 2,79 kg/.ffi3 ., P1

=

1 ata . P 0 75 to

). • , 2 . , . a~.

,

P

2

=

2,29 kg/m3 .,

AZ

'

=

2,29

x

100'x _A2

.. ! ï

"

.. <. I ~ , . :t ...

,.

~ ,...-...

-

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

-

---

~_.---- ~--_ .... .-_{.,'.'-' .--.,. -'-'- .}

,---

~, .. . ' p~

=

_P4

_.

-d.. k

.

f

3

P

:

Verder is D

=

~ 'l; 10- 2 2 ~ . . J , . / . m I

o

_,

_.

_'

63' _-'

₌

P

~

1 ,761 , , , ,

D4

-

0,1 5m D5

=

0, 30m'

F

3

=

1 ,23

kg/m'

-4 _m2 'A = 31,9.10 3 D 3,

=

.. -3 6,3.10 m2 -2 Dl

=

9,5. 1 0 m . neem Dl

=

10,0.10-2 . m (v 4

=

12 m/sec) (v

5

=

3

m/sec) -..

,

In

de rustbuis kunnen nog niet geheel verdampte zwaveldruppels verder verdamp~n.

TOEvoer van d~ vloeibare zwavel:

De zwavel wordt in de keel van de venturi gespoten Vla gaatje

die in de keelwand ziJn geboord. Neem voor de diameter van gaatjes Dgat

=

2.10- 3m. · A =' 3,14.10-6 m2•

Als v

=

3 m/sec dan wordt het aantal gaatjes

=

12.

e

at

Dé

vernauwing van de venturi heeft een tophoek van 300

.De

~van de verwijding vlak achter de keel is 300 op de

e.chter in dit V' ~slag. >"t'

.... ... .,. _,t .. J t ••• . " ' : . • 1 " - -. - . ' " " " ' . ' .0:.,... .• - - ' - ' " _{' .}

Bij

nader inzien is dit wel erg veel(Bij v de aangenomen snèlhe±d van 1,00 m/sec zou de reactie in ongeveer 6.1.0-

4

sec. verlopen. -:

moeten zijn. Als de tophoek 50 wor,~t gemaakt, zou de reaetie i'n . .'

'ongeveer 3.10-3 sec. afgelopen moeten zijn. Als de

.

re~c

,

tie

nog· ;'

langzamer verloopt is het nie~ noodzakelijk de tophoek

van

de eeroste verwi'jding nog kleiner dan

5

0 te maken, omdat

e~

dan geen abrupte. expansie door zeer snelle reactie optreed;die opgevangen moet

worden) .

'Berekening ven de split feed reactor.

Koelers: gasmengsel: t. _1n = 4200C

"Mobil the~ 600"

Gas in de pijpen. (Bij een reac tor ui tvoering waar,bij het gas

·de pijpen zou stromen zou het tEmp. verschil tussen pijpwand mantelwand te groot worden)

Gasmengsel:

Stel voor de berekeningen: a. drclk gas = 1 ata. ,

b.

he~

gasmengsel wordt beschouwd als ideaal mengsel van gassen.

Koeler 1: In: 5,03 mol S02/sec en 4,36' grat.S= 0,69 mol S6,337

=

12, 19 pMgas' ( p in atm.)

" <

.'

.

,

f.,

., .' '.', ," ~;. I~\ 1',., • " ~ _,. f: ~.

c

p

2~, _420°C

=

1 ,32

(

P

'3) _42.o°C :;: 1 ,24 ( 9 4) , ,,\-. 420°C :;: 1 , 19

<-

9

'

5)

420°C :;: 1 , 1 5

(

?

6)

420

:: 1 , 1 3 Debieten:

₀

_v m3/sec.

(

~

2)

_320°C :;: ( ~ _{3) 320°C} :;: ( ~ 4) ~200C

₌

(

P

5) 320°C ::: ( 9_{6) 320°C} :: 1,55 1 ,'47 1 ,40 1 ,35 1 : 32 -, ~ ~. . t" ,-~ .~.

o

.

::

,,'p$ 4't,',~­

J

gem ' ",~

:; 1,35

)

:; ',"c' . ....~ (

₀

v 1 ) 420°C :: 325,7.10 -3 ( ~vl ) 320°C ( _{0 v2 )420o} C ' -~ ,: :;: 420,9. 10 . (

₀

v2 )320oC ( 0v'3 )420?C :;: 542,4.10

-3

( 0v3 )320

ó

C (

₀

v4 )420oC :;: .679,3.10 -3 (

0

_{v4 ) 320°C}

ç

₀

v5 )4200

C

:;: 837,4.10 -3 (

0

v5 )3200C

(

0

_v6) _420°C :;: 1060,2 ₍

0

_{v6 )320}o_C

Berekening yan de dynamische viscositeiten

~

gas

·

=

YS02

~

S02

+ YS

~

S

+ Y6

~

6

+'Y2 72 ,

l

:;: 274,0.10-3. ." ./ :;: '35 S , 4. 1 0-'3 ' :;: 460,6 .. 1 0"'3 :;: _579,3.10 -3 :;: _714,8.'1

'

₀

-3

_, :;: 907,9.10-

3

y :;: mol.fractie component in het g~smEngsel.

Voor een component geldt benaderd:

6,30.1~-6

(M

3:p~

')1/6 x T?/2 _{( Poise) (lit.25)}

re

i' TI!+O' 8 " I , : " 1 ~ _i ,

.

' I ~ '. ~. , ... ., Gevonden wordt: ( ) -6 , T C / 2. \ S8 = 23,1.10 ., "-' TI. , 42CoC ( ) -6

~

S6 _{420°C ·} = 20,0.10 ( ) -6

~

8_{2 420°}

=

11,6.1C ; (

_~

_S02)4200C

_-6

=

28,9.10 ;

-G-( I1 S0 ) =29, 1. 1 C ' ~ 3 420o~

Voor dE cosccn~s~lf wordt nu cEvonden:

koeler

_.

, 1 2 ~ ..I 4 ~ . / 6 -6 27,9.10 28,2 28,4

Z8

,5

2B,7 29,0 ( ) (k J/kg.cC) cp !:-.(;r.gsel 420°C koeler C,705

2

0, 73~

3

0,757

4 0,776 . , (:"'4 _{L ,} 5 _• 10 - 6 v 24,8 25 ,0 25,2 25,4

320°:::

C,G91

C

,7

25

C,748

0,769

0

,7

84

-6 = 17,6..10

.

-6

:: 8,8.10 -6 25,4.10 -6 25,3.10 'LE.rr= (

t

)

CTem b ,.. ) L • 18,7 20,0 22,4 . 18,3.10- 3 19,3 5 20. 1 20,7 5

"

. -.... _. ' .. ' -I f - . ; : ; ; ; ; : ; ~ Z<CLJ

Voor de ~Mobil therm 600" werden de volgertde gegev~ns gevortden:

(lit.26}

g2.~oC : À

₌

1. ,083 W/moe; cp

=

2,284.10 3, ·Y/kgOe

y

,

685 kg/m3

"\)

=

' -6 m2/sec

=

.

,

1 ,00. 10 a = ~

=

6,92.10-7 m2/sec;

.-

'i

'

-

1 ,44;

_Y

=

~ cp a 260°C:

À

=

1,055; cp = 2., 422 • 1 03 ;

~

:: 672; ~

=

-6 C, 72 .,1 0 ; -7

_»

_{1 , 1 1 ;}

\

=

484.10-6 a

=

6,48.10 ;

_-

=

a

Voor het g&S in de pIJpen van de koeler wordt een Re . 104.

aangeno~en. Globale berekeninben geven wat aantal en lengte de pijpen aangaat h~t Eunstigste resultaat voor pijperi m~t een

inwendige diamE.tcr Dl." :: 0,606" :: 0,0154 m.; Voor de 3"

diameter wordt genomen Du ~ ~

=

0,Oi90

m

Berekening van .R_{M 10 1} 'c·l

=

0,18 Re O,6

("!. )

1/3 (

a

~ )0,14 Voor ,Mobil thermCOO"

~W

(lit.22

ClZ.l0-14; lit.27)

,

( 'J )

=

1 ,22 (gemiddeld over de waarden bij 2200e a Mobil -'~ .~.

( )) ) 1 /~ :: _{1 ,07}

-

a

temp.' vefschil tussen pijpwand en vloeistof.

I

0_w

=

tw - ~.iobil :: t gas twand

Rgas

, RMobil .. Rgas

obil

% 15 (zIe berekeningen hierna)

1 ' .~. , , • " .... t_{gas =1420eC} t__ _-Mo~il

=

260°C t gas = 320°C f__ = 220°C -Mobil

L

= 1,05

Z

w

.

.

r

t - t ) . .

=

80C W ' M geffilddeld , :

(

.t.

)

0 _{, 1 4}

₌

_{1, ,0 1} ~w . f,:obil

Gevonden wordt voor: R~obil

=

0,13.10 -2

O(r,iobil I f1t AY ~t Pw

=

log.gEm. ----~R~~~~~~ tot.

=

Geschat: 1 pass

"Mobil terrr, 600"kant: oneven aantal schotten, even aantal (dwarsstroorr.)

De correctie factor Y

=

1 (lit.22èlz.10-9)

Berekening van het aantal pijpen ln de koelers

Stel:

'b'

, n

=

aantal pijpen ~n een koeler

l . '

~ '

.

•

1

=

lengte pijpen.

Verder is: (D ) _{. u pijp} - 0,0190 m

-(Di)pijp

=

0,0154 m (lit.22 blz.11-11) Du

=

1~238

D-Oppervlak inwendige doorsnede

=

1

, -2

Buiten omtrek pijp

=

5,98.10 m.

I -2 '-2\

1jotaal opp. van n pijpen = Atot

=

5,98.10 nl.yn.,

t

'. 1f_"'" " .... ,.; ... ~ - ' - . ".'.~ .... ~ . -3 2 0~

=

0,1860.10 x n x ~

=

1,208.10- ~Re.h · k$/sec.

D.

1

,

Re

=

0 .,...~m:-.._ . 1 , 2Óe .. 1 0-2

~

n

R gecorrigeerd op de buitenwand van de pijpen:

Rtot

=

Rgas + Rwand + Rvuillaag + ~obil

=

1,238

<.o<>gas

-2 + 0,13.10

(De weerstanden van wand en vuillaa&kunnen worden verwaarloosd

Ter berekening van <~> gas wordt gebruik gemaakt van de

(

.

<0<:>

À Pr (

i

)

= ~

_-

₌

a r-.J ~

voor ideale gassen. ' ,

1 , 14 (

-t-

) 0, 14 = J ,02.

(

W

gas .~ w gas R

=

tot 1 ,238 , m

.>--1 753 \

0'

.

)0,8 1 ,208.1C- 2

1

n -2 + 0,.13.10 (lit.27) ) gas.

,

"w

=

__

A-=

~

_t=l..::o~gt..:..~

gt..:.E:.;;;;;IIi:.:..

.

Invull en von de verschillende 'waarden"

" _'.' } "

..

' I ' • r ' L - - ,

Koeler 1 ~ Voor I

=

0,90 wordt )Je formule:

15,23 + 5,306 nO'S = 1 ,S91 x n

A

=

B

Door A en B als functie van nuit te ze.tten wordt g€vonden:.'

n,

=

212 R€

=

6,9.10 3

St 'kt _{rl genomen a0} m hl' rd _{e e ~orffiU}

~

I _e NU_-O,'0?7Reo,8_{~ pr}l/3«_~ : ' (;\,14 niet,méer worden toegepast. Uit grafiek 111-8 t:lz 141 (lit.27) .

blijkt echter uit de desbEtreffende curve dat de afwijking bij Re

=

6,9.10 3 nog erg gerlng lSo

Koeler 2:

+ =

0,90 22,3 + 6,34 ne,S= 2,31 n~ h = 199 Re

=

8,S.103 v

=

10,7 m/sec \ Koeler 3 I

=

0,90 31 ,8 + 7,53 nO, 8= 2,78 n

~

n = 198 v= ~3.;7 m/sec. Koeler 4: I =C,8C 44,4 + S,SG nO,S

=

~,94 n ~ n

=

319 Re = 7,4.103

v

=

9,9 m/sec ÁoelEr 5: 1

=

0,80 60,2 + '10 .. 23 nO,8 = 3,44 n -"' n = 30.8 Koeler 6: 1 = 0,80 82,0 + 11,7G nO,8

=

4,08 n~ n = 285 )

"

Neem (D. t I

=

20

=

O~508 1. man e m D~' wordt de pijpsteek

=

p

=

a Du

=

1,.905. 1 O. -2 a ;

",

.. :-- ----... --. ... ~. -- ". - · - 7 ---

.-Neem voor de afstand tussEn het hart van de buitenste pijpen de koelmantel

~p

I

)

Rangschikking p~jpen: op de punten vaneen gelijkzijdige drielw€k

Stel: mp

=

hart-part afstand buitenste PIJp€n In de koeler. -2

=

p(m + 1)

=

1,90.10 (m + l)a a

=

26" 27

m 1

Het aantal ko~lertyp€n kan tot twee beperkt worden.

Neem voor de LoeIers 1,2 en 3: I ..

=

0,90 m."

PIJP koelers

4,5

~n

6:

n . . lpiJp=o,ao ~. ~~

=

211 pl.:;pen. n :313 pi5i>~h a

=

1, 66 _p--':l, _,.,." 1 _u. r ₁ 0- 2 _Ir.. a _,

=

_{_}1 _"' 38_{. ...2} :'f p -2,63.1Q " .•

De eindtemperatuur van de I~:obil-therrr. koelers wordt nu niet meer,

260oC.

Berekening van de eindtellipernturen van de "Mobil-therm600". Gevonden werd: Rt t = 1.238 " 0 -2 +0,13.10 ; --.... ( t " )

=

2 S80:::: Iv:.oti 1 ui t ~

Koeler 2: Re = 8,3.10 3 ; R_tot

=

2,e 1.10 -2 ; _{( tMobil ) ui t}

₌

Koeler

3:

Re Koel wr :4: Re -2 2,37.10 ; -2 2,71.10 ; _{( t_.} " _{b'l) . t=254} . 0 _C -r.l0 1 UI . 3 -2 ( ) "

-'peler

5:

Re

=

9,47.10 ~ _Rtot

=

2,32.10 ; tMobil uit

=

1

'3

"

.

J'

~ i "

./

"

~.

Berekening van de "MoLil , th~rm

GeO"

stromen.

Voor de enthalpie~n per kg. "Mobil therm 600" geldt (lit~26) Koeler 1 : _H258 1:₂₂₀

₌

. 88,87.10 3 J/kg ~ 3 2: _{II~61 H220}

₌

96,90. 10

,

,

3:

J,

;;:96,90.10 3 4: H 254

-

"220 fT = 79,45.10 3 5 : _H259 H 220

=

91 , 5C. 10 3 6 : H₂₆₅

-

_1I220

₌

106,44.10 3 . , ,

Voor de rr.assastrorr.en Cel lt nu:

o

=

n:

,

0rr. ). L" ' •.. 0 11 Koeler 1 _{C,483 kE/sec} 2 0,529 3 0,628 4 0,900 5 C,903 6 0,893 lotale Mobilstroorn: Cpgenorr.en warmte: 4,34 k.;/~ec. . 3 4C4,09.10 Watt.

Bepaling 'van het aantal schotte~.

t.,' 1. '1) 't~ 2GOoC

.,.OGl Ulo

\

<

P

r,:olil'> ; = C72 kL/rr.3•

Dij de b€rekeL~Ilb van Rf"OI _{/. 01} '1 is een forrr.ule b€tru:ik~ die

pi~pEr.t;Lmdel t en

, ,

(lit.22 blz.l0-14)

,

G

=

massastroo~ doer het kleinste oppervlak door de

hart-max·

lijn van de koeler~antel .(Opp(rvlak

S).

Afstand tussen de schotten (=r~:

S= P((Di)mantel-bDu)

b= aantal'pijpen dat door het oppervlak S'wordt gesneden.

Koelers 1 ,2 en .:3 : b = 1 ~

-Koelers

4,5

en G: b = 1 9 KOElers 1 ,2 _en 7.. _S ~~ ~~ 10- 2 _P -'

.

= '-'-J'_C. ~ h:oelers

4,5

en G: S = l ' _Lt,~\... ' 0 lC-L

r

Berekening vt...n G

=

_~ TIe IT.é..X J _u <~> ::J _u ~ G

=

30,7 k,;:/rr:L.f€C max '-'

s

=

1.oel er 1: ~

3

4 5 6

,

~m )rlolil G · n:ax· - ' ) p

₌

7 , 1 • 1 C .'-P

₌

7,8.10 -2 .p

=

9,2.10- 2 p _{= 14,2.10} -2 P

=

20,2.10 -2 P

=

19,9.10 -2

=

103

=

585.10- G Ns/m2 -2

=

1 ,90. 10 m

Als w= aantal schotten dan geldt: aantal ruimten tussen

. f

",!.

Neem voor de dikte van een schot: 2 mm

( w + koeler 1 : 2 7. ./ 4 5 6

-3

l)P

=

lpijp -2.10 w w

=

1 1 w ~ 1 1 W _{= 9} w = 5 w

=

₃ w

₌

_,

₃ w

=

oneven.

Berekening van de acsorbeur In: 1,593 kg _{1I2 S04 (98,0%) /sec.}

~

1

=

1,8. 103 kg/m3

~ L= 11.10-3 Ns/m2' (Lij 50oC)

1,201 kg gas~cngsel/sec .

Voor berekening van de dia~Eter van de kolom wordt gebruik gemaakt van 'de volGende Grafiek die

L ( ~ _) 1/2

G..lJL

9

1

geeft &ls functie van

_c

2

~

_'fl2

1

°,

~

~

::;

E

3

?

L

gc

.

x 1,91 .10-8

(lit.28 b1x

96)

L

=

vloeistof strooffidichtheid

'G dampstroomdichtheid

=

lill1, 201 ~

=

'4

,

7 ./

.

1c-

2 uit de grafiek volgt dat:

x 1 9,1. 10-8 • 0, 18

. ,

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

-

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

--ge

=

zwaartekrachtsconstante

E

=

porositeit v.d. vulling.

~

=

guotient dichtheid water cn dichtheid vloeist6f.l

Uit (lit.22)blz 18-28 t&bel 18-5 volgt voor 2" Raschig ringen

(steen): sq.ft./cu.ft.

=

75

'm2 O,3C5 ~3 Invullen in de vbl.geeft: G

=

1, 1 1 • 104

=

3,C9

2 kg/m .hr kg/m2.sec (= flooding belasting)

Voor de Rasching ringen is 70% vun de ~looding belasting gasbelasting

=

2,16 kg/rn2.seco

Opp. doorsnede koloffi

=

0,560 ~k _{o om} 1

=

0,844

m

Neem 30"

Berekening van de hoogte van de kolom.

Stel dat voor het absorptieevenwicht geldt: m

=

~ 0

Yi en'xi zijn de ~olfractics van SC

3 in het gas resp. de ~loei­

stof. Neem aan dat het warffite effect dit Evenwicht niet b~­

invloedt. Dan geldt (lit.2;::) llz. 14-29 fig. 14- 16.

,

-3

, vbbr dE absorbeur - 27,9.10 Y2 =,mol.fractie 303 na de absonbeur

Yl

=

27,9 De grafiek geeft voor het aantal overdr8chtseen-Y2

heden N

=

2 7 oG '

-Berekening van de hoogte van een tran6portcenheid:

HOG

=

HG

..

" \. l,,--.··r- _ _ _ _ = 1,01 ( G )1/3

ï

(ft. ) De vloeistroomdichtheid (li t..29 ·) blz.285. L

=

1 a593 0, 140 sec. ;::;2000lb/hr.cu.ft.

Bovenstaande formule mag dan gebruikt worden.

HG

=

0,296 II!.

I !

De

hoogte van de kolom wordt dan: NoGHoG = 0,296

x

2,7 = 0,80 Compressorvermogen van de zuigercoffipressoren.

Zie hiervoor het verslag van P€.eters en Eazewinkel.

De eerste compressor comprimeert van 1 tot

V5

=

2,35 ata.

De tweede comprimeert tot 5 ata. Voor het effectieT vermogen

ven

de eerste en de tweede compres~or'wordt g€vonden:

P

eff

=

70,0 k',v Fractionneerkolom. Stel:

x

=

mol.fractie S02 in de vloeistof

y

=

mol.fractie S02 in het gas

H

=

enthalpie van 1 ffiol SC₂ - SC

₃

mengsel.

X.B. Dij deze berekeningEn wordt als basis gesteld:

o H(SO )25 C

=

O. 2 L ' H(SO )25 0C

=

0 ( In de warmtebalans is dit 3 L o omgerekend op

H(S02)~5

C

=

0;

!

(Enthalpiet!n in kcalorie~n.) o H(Se )25 C

=

0) 3 G

Re gr~fiek IIA 'we~ gevondfn mét behulp van de formules

'P_tot

=

5,000

=

PSO

x + PSC ( l-x) ; y

=

Ps

'

x

!

2 3 I$)2

I P

.. ~~ .. ~~ '~~~;h" . .,..i<. ,

1

1_t

,~~,;.~",

"I _ ;7' . :_,:,".:.y. i,,:" ;.1.1~jIo

~~tJ:·

~~. -; i~>~'~

,"

.. '- .. ~~~<:j~~ j".t

,

0'

-, .. - . .-..

De grafiek IIB werd gevonden door de G, en L lijnen voor

Je'

'':'

1

1,:-

_{, .,}

als rechten te veronderstellen. (De berekende punten hebbeh . "

betrekking op schaal c).

PSO en PSO' waarden (in atm.) werden gevonden m.b.v.'

2

3

d~ volgende formules

log PSO

=

-2233,461 + 7,02864 (atm) berekend uit

3 T

p

=

504 TorI' p

=

7

';I . Torr en

t

=

45, lOC

(lit.30) blz.351 log' PS02

=

129°1983 + 4,92754 (atm) berekend uit

p

₌

3800 Torr p

₌

7600 Torr en

T

₌

305,30 K T

₌

328,70 K (lit.31)

log PSO = -2~14 + 10, 17 Torr) (lit.31')

3 T

voor temp. 50,00e

Grafiek 111 werd gevonden met behulp van de formules

x(H

SO _2L ) + (1 - x) (HSO

₃₁

)

( H.v)G

=

y (HSO ' + AIi~o ' ) + (l-y) (HSO + AH~O )

r 2 1 , 2 3L ' 3G

~

I

,

.

•

Voor de verdampingswarmte vun SC

3 werd gebruik gemaakt van de formule • ( I it. 32) bI z • 521 . ( T r = gereduceerde temper,atuqr},: . , .' r • j

+J' - . ' • -•• - ~.' ." ... ,.... ';''''. , ., . "t : \ .. ' S03 Pk

=

83,6 atm ( ,,'~ ::: 1

° ,

~

6 kc .

~'%mol

' Jr , S03L: Cp = 61,1 cal/Lol. oe H

= (

91.02 - 0;215 t - 2,22.10-4 t2)64

cal/~ol

(lit.3)

Berekening van het aantal ~heoretiEche s~hotels als functie van de reflux verhouding:

Ro

=

~o

-D-Als indices worden Eebruikt:

M voor IJ F ,D K C nettostrcio~ nettostroom voeding topproduct rectificercndc gedeelte str~pp€nèe bcdeelte ketelproduct condensor n

=

aant~l molen/sec

Q.= hoeveelheid toe-of af[evocr~e warmte (k cal/sec) x

=

molfractie S02 in hEt gas of dE vloEistof

uit war~te balans over da kolom

=

H - x ~rafiek1 HF

=

0,15 XT" _...

=

0,99900 x K

=

xI:

=

0, 10eCO

x -

_{D- X~i}

₌

0,99999

~N

0, 15

=

-908 .

\1

0, 15

_.

.

,. , ' ,