Schema voor isobutanolfabriek

., ' , , .

.

... , : ... . -r-o , - ,

-;1·:'-:;

,-' . ,-' -. < ' , , " . , -.. : ~. ~." "

....

-0 , " ' . . . . - 0 • . _{, ,} .". " ;

.

"

..

" .... '

..

=====c====================~== C.J. van Maanen . I. "Inleiding

Isobutanol vindt op zivhzelf toepassing als oplosmiddel.

Het is echter verder een belangrijk tussenproduct bij de bereiding van polyisobuteen (lit. 3). Door waterafsplitsing verkiijgt men n.l. isobuteen, dat men kan polymeriseren tot polyisobuteen. In de afge-lopen oorlog werd ook via isobutanol isobuteen gemaakt, dat dan weer

'.

door dimerisatie tot isoocteen werd omgezet en tenslotte door hydro-genering tot isooctaan, hetgeen als hoogwaardige vliegbenzine toe-passing vond •

De productie van de te ontwerpen fabriek werd genomen op

6

ton

isobutanol per dag. Dit is een redelijke hoeveelheid als we bedenken, dat de isobutanol voornamelijk verder verwerkt wordt tot polyisobuteen • II. Bereidingswijzen

"1) Door destillatie van foezelolie, welke al~ijproduct wordt verkregen bij de bereiding van aethanol uit zetmeel. We zijn hier echter af-hankelijk ván de grootte van de aethanolproductia, en waar we vol-komen onafhankelijk hiervan isobutanol willen produceren,· is deze

methode niet gewenst~

2) Door in een autoclaaf isobutylchloride met calciumhydroxyde te

o

-verhitten tot 150

o.

Deze methode wordt technisch niet uitgevoerd

en is dus voor ons niet van -belang. (lit. 12)

3) Men voert een mengsel van propeen, CO en H2 (verg. 0

X

0 proces)

over een katalysator op Ou-Cr-Co-basis bij 2880_{0 en bij 100 atm.}

Men krijgt dan (lit. 1~) opbrengst van 8~ butanol en 12.fo isobutanol.

Het ~ geeft weinig bijzonderheden, en is geen beschrijving van

een technisch proces. Of dit proces op technische schaal wordt uit-gevoerd, is niet bekend.

4) Deze bereidingswijze is de synthese van isobutanol en andere

alco-holen uit CO en H2' de methode, die in het groot in de techniek wordt toegepast. In Duitsland is dit proces ontwikkeld bij de BASF. Men

gaat uit van een mengsel van CO en

H2

(litt. 2,

4

en

5),

dat men

~ 0

onder een druk van· ca. 240 a~een temperatuur van 430 C over een

met 1% alkali gepromoteerde Zn-Or-oxyde katalysator vo.ert.

1

~~~(.~

, " ".:' .'~ • "iIi~

- 2 ~

Er ontstaat dan een gecompliceerd reactiemengsel met b.v. de volgende samenstelling: methánol 55~ dimethylaether olefin~n(C2-C1) n-propanol isobutanol 1,5 - ~ 0,7% 1 - 1,3% 11 - 13% hogere alcoholen 6 -

7%

ketonen 0,6-0,7% water 20,3-24,~

De isobutanol wordt door reotifioatie uit dit mengsel afgezonderd. De methanol, die moeilijk op marktspecifioatie te zuiveren is, wordt

teruggevoerd naar de reactieruimte. De hogere alcoholen en ketonen worden als oplosmiddelen gebruikt en vormen dus een waardevol bij-produot.

Omtrent het reactieverloop van deze synthese neemt men aan, dat eerst methanol ontstaat:

CO + 2H2 ~ OH₃0H

Daarna krijgt men dán een serie van oondensaties van de alooholen, voorafgegaan door dehydrataties ervan:

2CH30H ---+ C

2H₅0H + H20

202H50H~04H90H + _{H20 .}

OH30H + 02H50H -. 03H

7

0H

₊

_H20

Men is uiteraard bezig om andere katalysatoren te ontwikkelen, welke een hoger percentage isobutanol zullen opleveren. Litt.13, 14

en 15 geven hiervan enkele voorbeelden. Het betreft hier eohter sleohts werk op laboratoriumschaal. In litt. 14 werkt men met katalysator

op OaC2-basis, in (13) en (15) met metaaloxyden. Litt. (16), (11) en (18) zijn eveneens beschrijvingen van proeven met andere katalysatoren, eohter ook op laboratoriumsohaal. Daar deze katalysatoren dus hun waarde in de techniek nog niet hebben bewezen en nog helemaal niet specifiek

zijn voor de v~rming van isobutanol, zullen we ons houden bij de eerder

genoemde katalysator, die in de teohniek op grote sohaal gebruikt is. We zullen thans nog moeten bezien, welke methoden ons ten dienste staan om het benodigde synthesegas te leveren. Een overzicht van deze methoden, vinden we in litt.(20).

,,"

a) Met de Winkler-generator.

Hier worden fijne kooIdeeItjes vergast in een zgn.

~

@Uid~bed".

Men blaast daarin een mengsel van stoom en

zuurstof, waarbij de kooIdeeItjes nagenoeg geheel vergast worden. b) Met de Koppers-generator.

Hier vergast men fijne brandstof in een suspensie in luoht en zuurstof.

0) Met de Lurgi-generator.

Men laat hier zuurstof en stoom inwerken op fijne brandstof in een vast bed onder verhoogde druk.

d) Met Thijssen Galoozy- en Leuna-generators.

Hier laat men zuusstof en stoom inwerken op een vast bed van grovere brandstof.

e) Met het oude wa terga:;3prooédé· met~laas- en gasgangen.

f) Door verbranden van voorverhitte methaan met zuurstof of zuur-stofrijke luoht, meestal onder invloed van een katalysator.

g) Door inwerking van stoom op methaan over een gesohikte katalysator. Men krijgt bij deze versohillende prooessen versohillende

samen-stellingen van synthesegas, afhankelijk van de aard van het prooes druk, brandstof en temperatuur. We kunnen echter door conversie met stoom over de geschikte katalysator de gewenste verhouding van CO en H

2 verkrijgen.

We zul+en nu beredeneren, welke methode werd uitgekozen en Waarom. De methoden a, b, c en d worden altijd gebruikt voor zeer grote hoeveelheden synthesegas. Ze zijn daarvoor ook uitermate geschikt. Ze kunnen synthesegas leveren om in grote bedrijven versohillende installaties te voeden. Waar we hier echter een verbruik hebben van ongeveer 23000 m3/dag, zullen we voor een op zichzelf staande isobutanolfabriek een andere methode moeten volgen.

Een beZWaar van methode f is, dat we zuivere zuurstof nodig hebben.

Moeten we deze dus apart gaan bereiden, dan zal dit zeer oneoonomisch zijn.

Het oude watergasprooédé is discontinu en verouderd. Methaan (aard-gas!) is op bepaalde plaatsen in ons land voordelig te verkrijgen (lit. 19) en in voldoende hoeveelheden voor onze produotie. Verder zou men de methaan uit een petroleumraffinaderij kunnen benutten. We zouden dus onze keuze willen laten vallen op methode g).

We krijgen hier tevens. de gelukkige omstandigheid, dat de samen-stelling Van het ontstane synthesegas zodanig is, dat oonversie niet hoeft plaats te vinden. Dit moet wel geschieden bij het methaan-zuurstof prooes. We kunnen dus nu vaststellen, dat we methode g) zullen volgen.

<. 'KAtER

r

ir'='ï

'\

!~

I I

11

LJ

LJ

H

'

!~B

LI H ~--r v H

I '

S .

+>-(

b

h

_I

21

3 >

I

S-I

I_>::r-

_~

!

I

1 I f'1ETtfAAN -' ~..J S~OOI\_ sYNtHeSE-A5 êAS

L -

~1

[~RoPANOl' ~ /'lotER/: llI1" A Ll::.of.( oLE:N . ~

~~--=-=--~

- 1 - - - _

.---.(,

1

,.,...

~ ~ACTHSX

''''E',"'.,

I1 ole:F''',~

Ilf

₈₁

wAX·1l. _, itEïï-{6-NOL. , IItd lil:?:! ... IIC1l tof 110 ..." H!i1 c+-c+- IIH • _II~ 11 ,... _... IIH n!<:":; '-"' 110 11 c+- 11< ~

à'

1It;

11 I 11 ,...

Cg}

'"

'-"' 111-3 n '-"' DO Dl'=;! n<

gg

->., uo 1It::J 1It;cj 11

"DOR.. VE.R.KLAI\/NC:. FLCW~C.~IE.MA Z./E. vO\..GE1JDE.. BLZ..

11 '"ti Ul=d uo 110 1It>:! nCll

FLOW

scHr:.

11/-\

1:.

SóBUTANOLS'J'NTHE

SE

Verklaring behorende bij het flowsohema: 1. Gasvoorverhitter 2. Zwavelabsorptietorens 3. fornuis

4.

stoomvormer 5. stoomoververhitter 6. economizer

7.

schotelkolom 8. Fe(OO)5 absorptietoren 9. compressor 10. olie afscheider 11. warmtewisselaar 12. eleotrische verhitter 13. reaotor 14. vloeistofafscheider 15. voorraadtank 16. 17. 19. destillatiekolommen 22. 23. 18. benzeeninjector 20. benzeentank 21. waterafscheider

Het aardgas, waarvan we aannemen dat het 5,9% N

2 bevat, wordt opgewarmd

in gas~oorverhi tter

1

tot 150oF, en gaat dan door zwavelabsorptietorens

,g,

gevuld met cylindrische ZnO plaatjes. Het gas wordt nu gemengd met stoom en

het mengsel treedt nu binnen in het fornuis

l.

De invoertemperatuur is 8500F.

Hier vindt nu de omzetting plaats tot de gewenste samenstelling. Het mengsel wordt door buizen geleid, welke gevuld zijn met kubi van keramisch materiaal, geimpregneerd met nikkel', als ka talysa tor. De benodigde warmte wordt toege-voerd door aardgas om de pijpen te verbranden. Hèt gasmengsel verlaat de

oven bij een temperatuur van 1340oF, wordt dan afgekoeld in een oververhitter

2

en een economizer ~ en tenslotte in een koeltoren

1.

Het gas wordt dan door een absorptietoren, gevuld met grafiet, geleid. Hier

wo~dt Fe(OO)5 verwijderd. Vervolgens wordt het gas gecomprimeerd tot 250atm.

Hiervan gaat het gas via warmtewisselaar 11 en electrische verhitter 1Ê. naar

de reactor

1l,

gevuld met de Zinkoxyde-Ohroomoxyde katalysator, gepromoteerd

Ook de methanol, die verkregen wordt uit het reaotieproduot, wordt

voor de reaotor ingeperst. Om plaatselijke oververhittingen te

voor-komen, wordt op verschillende plaatsen in de reaotor koud synthesegas ingeleid.

Het reaotiemengsel gaat via warmtewisselaar

11

naar waterkoeler

JA,

. .

waarna het in een vloeistofafscheider komt na expansie tot 9 atm.

Het gas wordt als recyclegas weer naar de reactor teruggevoerd, terwijl

een klein gedeelte ervan wordt afgeblazen om ophoping van ine~t gas te

voorkomen.

We komen nu toe aan de besohrijving van het getekende deel van het proces, de verwerking van het reactiemengsel.

De refluxverhoudingen konden, behalve van de dimethylaetherkolom, niet worden gevonden in de litteratuur. De hieronder vermelde waarden werden

dan ook aangenomen, hetgeen nodig was voor het ruw berekenen van de grootte der oondensors en reboilers. Het afgesoheiden vloeibare produot

komt in de voorraadtank

12

van 3000 ~ met een ventiel dat de druk op

9

atm houdt. Uit deze tank wordt het product in de eerste

destillatie-kolom

1&

gedrukt. De kolom heeft een druk van ca. 8 atm. Over de top

wordt dimethylaether en de fractie olefinen verkregen. Toptemperatuur

is ongeveer

35

00. Terugvloeiverhouding 10 : 1.

Het topproduct gaat via een koeler naar de opslag.

. \ Het bodemproduct

~et

een temperatuur van 11"000 gaat via een voorverwarmer

.

~~t;:

/aar destillatiekolom

11 ,

welke bij atmosferische druk werkt. Het

top-~ . product is de ruwe methanol. Terugvloeiverhouding 3 : 1. Via een koeler

gaat de methanol naar een wachttank, vanwaar ze teruggëvoêtd wordt naar

ê'"

de reactor

1l.

r~ Het bodemproduct met een temperatuur van ~ 7000 wordt door een

~

\ . ' . injecteur

.11!

vermengd met de hoeveelheid benzeen, nodig om in kolom

12.

een azeotropisch mengsel van benzeen, n-propanol en water over de top af te destilleren. Eerst passeert het mengsel nu een voorverwarmer.

Het topproduct van kolqm

12.

is het azeotropisch mengsel. Refluxverhouding

3 : 1.

Als zijstroom wordt mengsel van isobutanol en hogere alcoholen af-gevoerd (terugvloeiverhouding 3 : 1). Het bodemproduct bestaat uit hogere alcoholen en ketonen, welke via een koeler naar de opslag gaan.

Het topproduct gaat naar e~n waterafscheider

11,

waar water aan de onder- .

kant wordt afgetapt.

Benzeen en propanol gaan via een voorverwarmer naar kolom ~, waar benzeen

als topproduct geleverd wordt. Terugvloeiverhouding 3 : 1. Via een koeler

gaat benzeen naar de benzeentank 20, vanwaar dus weer benzeen wordt afge-voerd naar de injecteur.

Het bodemproduct van kolom 22 is de n-propanol, die gekoeld wordt en naar opslag gevoerd.

De zijstroom van kolom

12

gaat nu na koelen naar een wachttankje

van 300 ~ van waaruit kolom 23 wor~t gevoed. Eerst pass~ert de

voeding een voorverwarmer. Het topproduct van kolom 23 is isobutanol

(97 - 9~ zuiverheid).

Refluxverhouding is 3 : 1.

De isobutanol gaat via een koeler naar opslag.

Het bodemproduct van kolom 23 wordt gevormd door hogere alcoholen, welke via een koeler naar opslag worden gevoerd.

De kolommen zijn natuurlijk uitgerust met reboilers en condensors. De voedingsstromen, niveaux en diverse temperaturen worden automatisch geregeld, evenals de druk in de eerste kolom.

IV MATERIAALBALANS EN GASSM~NSTELLINGEN

-==~~==~==~==========================

Uit litt.9 blijkt,dat bij aequivalente hoeveelheden CH

4

en stoom

bij de gegeven temperatuur en druk, de evenw~ichtssamenstelling van het

verkregen synthesegas is als we uitgaan van 'methaan met 5,9% N2 : ,.

H2 74,7%

co

16,9fo

CO₂

5,9fo

CH4 1

%

N 2 1,5%

Invoer vers synthesegas van deze Samenstelling recyclegas: H 2 CO 00 2 N 2 C H

4

samenstelling:

57'J,

22%

610

5%

1o;b

" ,..,.. "

Hiervan invoer in reactor

Methanol invoer i b reaétor

,-

.. -

-

,..,

17.930 kg/uur 1.030 kg/uur

To~aal invoer in reactor 20.500 kg(~ur Ui t reactor: vloeibaar product recyclegas af'blaasgas totaal uitvoer 1875 kg/uur 17930 kg/uur 695 kg/uur 20500 kg/uur 1540 kg/uur

.

,/

De hoeveelheid afbl,aasgas is zo berekend dat evenveel N

2 wordt

8

-De samenstelling van het gas dat in de reactor komt, berekend uit mengen van het recyclegas en het verse synthesegas wordt:

De samenstelling van het vloeibare product dat uit de reactor komt is als volgt:

dimethylaether en olefinen methanol

hogere alcoholen en

ketonen uit kolom

12

hogere' alcoholem (uit k~lom 23)

isobutanol (uit kolom 23)

n-propanol water Totaal

45,8

kg/uur 1030 kg/uur

37,8

kg/uur 112,5 kg/uur 250 kis/uur 21 kg/uur

377,9

kg/uur

1875

kg/uur

Bij de azeotropische destillati~ordt een mengsel van 28,3 mol% water

8,9

mol%propanol

62,8

mol%benzeen overgedestilleerd.

Kookpunt mengsel 68,48°0

Waar meer water aanwezig is dan met deze verhouding overeenkomt, wordt zoveel benzeen toegevoegd, dat de rest van het water als water-benzeen

azeotropp (Kpt 69,250_{0) zal overgaan.}

(Samenstelling: 29,6 mol % H₂0 en 70,4 mol % benzeen~

9

Berekening van de condensor voor het condenseren van . zuivere benzeendamp behorende bij kolom 22

Bij dondensatie onderscheiden we druppelsgewijze condensatie en filmcondensatie. Volgens litt.22t verkrijgt men druppelsgewijze con-densatie slechts bij stoom, en bij mengsels van stoom en andere dampen, indien het oppervlak waarop de condensatie plaats heeft, met een stof bedekt is welke bevochtiging van het oppervlak tegengaat.

In andere gevallen heeft men met filmcondensatie te maken, zo ook bij de hier te berekenen condensor.

Gebruikt wordt een horizontale condensor.

Warmtetransport dq door een wandoppervlak dA = (litt. 21 B133)

dq

=

U dAc1t, waarin t:::. t

=

t' - tt 'en tt de temperatuur aan de ene

zijde, t" de temperatuur aan de ande~e zijde van de wand en U =

overall-coefficient (warmte getransporteerd per uur, per oppervlakteeenheid en per

graad temperatuurverschil tussen de twee stoffen aan weerszijden van de wand.

Indien U een constantë waarde

~

waarJ.n ~ t - Ll t

.6't 2 1

lm - Ljt2 :

heeft, krijgen we door integratie

q

=

U· A~tp1

of het logarithmische gemiddelde

ln ~tl

der temperatuurverschillen. U is echter in de regel niet constant en men

kan dan aannemen, dat U lineair is met! de temperatuur en dus ook met à t.

Integrerende krijgen we dan:

---Ui ~ t ₂ U 2At1 q

=

A ---~~~ U14t2 U 2ót1 ln

We zullen dus eerst overgaan tot het berekenen van U •. U gebaseerd op het binnenoppervlak wordt als volgt berekend:

Bijgaande figuur geeft een voorstelling van het temperatuurverschil in een ronde buis. De hoeveelheid warmte, welke door de

een-heid van oppervlak van de oppervla~te laag

aan de binnenzijde gaat is ql

=

h

i (t1-t2),

waarin h

i de warmtegeleidbaarheid van de

waterlaag is.

De hoeveelheid warmte door conductie door de wand gaat over eenzelfde oppervlak is

10

...

waarin K = thermische geleidbaarheid van de wand Di= inwendige buisdiameter

Do= uitwendige buisdiameter

De hoeveélheid warmte door eenzelfde oppervlak van de oppervlaktelaag aan de buitenzijde is:

D h

q3

=

~

(

t

_{9 -}

t4 )

waarin ho = warmtegeleidbaarheid van de ac:lIJI 1"ttg~onJIZ.I'I~~4~~iJVVI.

Nu moet ql = q2 = q3 = q en per oppervlakte eenheid is

q = U

(t

1 - t-4)

.

.

•

(litt.E2~~·· blz.147)

. Op analoge wijze kan U worden gebaseerd op termen van het buitenoppervlak.

We krijgen zo:

h

i wordt als volgt berekend:

Uit de dimensieanalyse is gebleken dat

waarin Di = inwendige diameter

h.D. ~ J. K

D.G

=( ,

. /

K = thermische geleidbaarheid vloeistof

G = massasnelheid b.v. in lb/(hr) (f sqft)

c = soortelijke _p

Î

=

viscositeit

Met empirische gegevens

Colburn v:Î:ndt: h.D. J. J.

K .

f

warmte bij cOflstante in b.v. lbj(hr) (ft) komt men b.v. tot de

Voor water vinden we vooral:

druk

formule:

•

-a-Noemen we' D.' = inwendige diameter v.d. buis in inches

J.

G'

=

massasnelheid in lb/(sec)(sqft)

en (t)

=

(t)

dan krij gen we:

K, c en

Î

zijn bij matige druk uitsluitend temperatuurfuncties. Men kan

dan

~

(t) berekenen en uitzetten tegen de temperatuur. In een gebied

40 - 2200_{F vinden we dan} ~ _(t)

=

_{5.55 (1 + 0.011 t)} We krijgen dan: h i = 5.6 (1 ~ 0.011 t)(G,)o.a (Di,)0.2 of h i

=

150 (1 ~ 0.011 t)(V,)0.8 (Di,)0.2

waarin V' = snelheid van de

vloeistof h wordt als volgt berekend:

o

Nusselt ontwikkelde theoretische betrekkingen voor de voorspelling van de warmteoverdraclitscoefficient tussen zuiver verzadigde damp en een kouder oppervlak.

Aanname hierbij was dat de continu filmlaag van het condensaat op het oppervlak laminair was en dat de zwaartekracht uitsluitend de stroming van het condensaat veroorzaakt.:

Gebruik makend van de definitie van viscositeit en aannemende, dat de snelheid van het condensaat op de wand nul en bij het

vloeistof-damp-scheidingsvlak maximaal is, verkrijgt m~ betrekkingen omtrent de film·'

dikte.'

Neemt men aan dat de totale thermische weerstand afkomstig is van de

condensaatfilm en dat alleen de late~te condensatiewarmte vrijkomt, vond

Nusselt voor een enkele horizontale pijp in een horizontale condensor:

_ v: waarin Kf

j f

g À

Î f

Do 6t ho

=

0.725

=

thermische geleidbaarheid van het condensaat bij tfo

=

dichtheid van het condensaatfilm bij tf

=

zwaartekrachtsversnelling.

= latente condensatiewarmte .

= viscositeit van condensaat bij tfo

= uitwendige diameter

.-

12-

-c-Voor N rijen buizen in een verticaal vlak wordt deze vergelijking:

ho

=

O.725l~rgJ\

)

1/4

ND_o

Î

_{f 6t}

Uitvoering van de berekening

Eerst wordt' éëli'globalë berekening gemaakt om een indruk te krijgen van

_{de grootr}

_van

_de

_{cond~nS'l,r:I'C}

IS{: .

::~=

·

Per uur is te condenseren 16040 kg benzeen.

Latente condensatiewarmte bij kookpunt van benzeen is 94.2 ~ cal/kg

Koelwater wordt verondersteld in te komen met temperatuur van 150C en

uit te treden met temperatuur 400C

Veronderstellen we U constant over de hele condensor, dan

q = U A6t_lm

Voor U nemen we 80 Btu/(hr)(sqft)(deg.F)

=

390 Kcal/hr m2

°c

We ,vinden dan, waar.1 t

lm = 51~'6oC A = ---q,--- = 4~tlm 16040 x 94.2 390 x 51.6

=

75.0 m2

=

807 sqft

•

Nemen we aan dat in condensor gebruikt WOrdeR uitwendig 3/4" buis BWG· 14.

Deze hebben een inwendig oppervlak van 0.-153 sqft/ft lengte. Nemen we

_.

buizen van 8.85 ft lengte, dan hebben we dus nodig:

807

₌

_{600 buizen}

8.85 x 0.,153

Vereist voor goede warmteoverdracht voor het koelwater is, dat de stroming turbulent is.

De benodigde hoeveelheid koelwater is 133968 Ibs/uur

16040 x 94.2

25

=

60440 kg/uur

=

Bij snelheid van 1 ft/sec stroomt door 1 buis 417.4 lbs -'per u~r.

We hebben hier per buis 133968 _{- 600 =} 223.3 lbs/--'--_~.

dus de snelheid in 223.: ft/sec

=

417. 0.:53 ft/sec.

Re =';ov D ,waarin D

=

r-"

v

= diameter in ft snelheid in ft/hr

!

/"

=

dichtheid bij 300_{Cin lb/cuft}

I ~

Re

=

s

-3600 x 0.53 ~ ~~14 x 0.584 = 2960

1.95

We zijn dus zo in het turbulente gebied. Nemen w~ d~ nog 3 passes,

dan zijn we altijd zeker van voldoende grote warmteoverdracht aan het koelwater.

Berekening

Denken we ons dus de condensor met. 3

~ ______________ L~g_Q_,(_·( __________ ~

'~!:i:1

tk==,

=="

=::======'*"~-Yf};tc

passes, dan kunnen we voor de berekening veronderstellen, dat de condensor uit

t

80"oL

3 x 200 buizen bestaat, welke achter

elkaar liggen. De temperatuur van het koelwater stijgt van 15°C tot 40°C. We gebruiken formule: _ _U1L\t_{2 - Uift1} q

=

A U .l!lt 1 2 ln U l)t 2" ,i

Ui berekenen we bij koelwatertemperatuur van 15°C;

U

2 bij koelwatertemperatuur van 400C~1

Berekening Ui

In verband met de physische constanten, welke meestal in Angelsaksische eenheden opgezocht zijn, willen we de berekeningen in deze eenheden uit-voeren.'

Invoertemperàtuur koelwater is 59°F, de temperatuur met de condenserende

d~ is 176.20F.

Nemen we aan dat de weerstand van de laminaire laag in het water ongeveer vier maal zo groot is als de weerstand van de condensaat film, dan

krij-" "

'gen we voor de wandtemperatuur (de weerstand van de wand verwaarlozende): t

wand = 176.2 - 11~.2 = 152.80F

Vlg. litt. 2i1) (257)wordt de temperatuur van de c"ondensaatfilm:

/

tf9

=

ts.v - 3/46 t

waarin ~:v.

=

temperatuur, verzadigde damp

-, "I

~t = temperatuurverschil verzadigde damp en wand aan

condens"atie-kant.

tf = 176.2 - 3/4 (176.:2 - 152.8) = 158.60F

o

Vlg.~ (156) wordt de temperatuur in de laminaire laag van het water: .

t + ts

tfi =

-2~-waarin t _{s de temperatuur van de wand aan de koelwaterkant is en} t de

koelwatertemperatuur 152.8 + 59

, '4 ii

-, Met behulp van deze aannamen gaan we nu Uo berek~nen.

h i

=

150 ( 1

+

0.011 ti)(V I )0.8 (DI)0.2 t. = 105.90F ~ VI

=

3 x 0.53 ft/sec

=

1.,59 ft/sec DI = 0,,58411 h i

=

150 (1

+

0.011 x

10S.~) (1;59)0~B

=

I .(0.584)0.2 dus

=

523,,:3 Btu/(hr )(sqft)(deg F) ho' = 0.725 ( Kf3 j f 2 g

À)

1/4 NDoif~t

De grootheden gelden bij tf

=

158.6oF

o

dan K15~.6 = 0.086 Btu/(hr)(sqft)(OF per ft)

g

=

4,17 x 108ft/hr2

j158.6 ~ 50.60 lb/cuft ,

A

_15S•6

~

95.5 gr cal/gr =

9~5~

x 454 Btu/lb = 172 Btu/lb

N

=

14 3' ~ D~ = 48 ft

ff

=

0.:350 cp

=

0.847 lb/hr ft ót 1/4 o

=

23.4 F , .. 0.1725 ((0.086)3

~50.6)~

4.'17 JO 10 8 x , .14 x 48 x 0;847 x 23.~ 172)

₌

_{207.7 Btu/(hr)(sqft)} " (deg F 1 Nu _{is Uo}

=

~ + 1.151 Do I ~ + 1 Dih1 K og Di ' ho

K is voor pijpen van staal met b.v. 17% Cr en 1.:5% Al bij 10 Btu/(hr)(sqft)(OF per ft) ~ D h _{i i}

=

0.00244 1·i51 Do log

~

=

0~:00077

l' I

h

=

0.00481 o . 1 1 Uo

=

0.00244 +. 0.00077 + 0.00481

=

0,,00802

=

124,5 Btu/(hr)(sqft)(c:)F) We kunnen nu controleren of de aangenomen wandtemperatuur juist was. Temperatuurverval door laminaire waterfilm: 117.'2·x

g:gg~~~

=

35,7oF Temperatuurverval door wand 117.2 x 0.'00077 _ 11 30F

0.00802 - , Temperatuurverval door condensaatfilm 117.2 x 0.;{00481 = 70.:2oF

0.,00802 dus wandtemperatuur buitenkant wordt 176,2 -70,2

=

106,OoF

, 0

zijn dus ook de berekende ho en hi fout. We kennen nu echter globaal

de juiste wandtemperatuur en als we nu Ol' deze wandtemperatuur opnieuw

onze berekening van _{Uo baseren, zullen we de werkelijkheid redelijk}

be-naderen.

We hebben dus wandtemperatuur buitenkant 106,OoF

wandtemperatuur binnenkant 94,70F

We vinden nu voor tf_o = tsv - 3/4 t = 176.;2 -

!

x (176.-2 - 106.0)oF =

=

123,80F

94,7 + 5 9 '

°

en voor tfi

=

2 ~ 76,8 F

(VI)0.8

-:Pi

=

150 (1

+.

0.011 tfi) ( :)02

=

~446,O B~u/(hr)(sqft)(deg F)

- DI •

, , k_{f 3}

f

f2 g J\ 1/4

h

=

0.~725 (ND at )

~

_ °

Î f

' "

De grootheden gelden ~u bij 123,80

F

K₁₂₃,8

=

0,086 Btu/(hr)(sqft)(OF per ft)

~

=

172 Btu/lb

/123.8

=

52,,60 lb/ruft

At

=

70,20_C

=

1,064 lb/hrft

h _o ,wordt dus nu: 143,4

'W' .,. . , . . ...

K

van de wand verandert weinig met de temperatuur, dus we krijgen nu:

· 1 1

Ua

=

0,00285:~

0,00077 + 0,00696

=

0,01058

=

95,5 Btu/(hr)(sqft)(OF) Controleren we nu weer de bij deze berekening gebruikte wandtemperatuur:

Temperatuurverval door inwendige film: 117,2 x 0,00285 = 31,60F

0,01058

Temperatuurverval door wand 117,2 x 0,00077

=

0,,01058

Temperatuurverval door condensatiefilm 117.,:2 x' 0,00696

=

77,10F

0,01058

°

Voor de wandtemperatuur buitenkant vinden we dus 176,2 - '77,1 .::: 99,1 F

.'

°

en aan de binnenkant 99,1 - 8,5

=

90,6 F

Deze temperaturen liggen nu dus dicht genoeg bij de aangenomen

tèmperà-turen, zodat de nu berekende waarde U1 = 95,5 Btu/(hr)(sqft)(OF)

•

- 16

~s-We zull~n nu dus overgaan tot berekening van U2.

We hebben de koelwatertemperatuur aan het einde bij de uitlaat van de condensor genomen op 400C of 1040F

Temperatuur condenserende damp 176~:20F

Het totale temperatuurverschil is 72,20F. Schatten we nu dat de wand- . temperatuur wordt 1330F

Dan vinden we voor de condensaatfilm de temperatuur:

tf _,0

=

176,2 - -43 (176,2 - 133)

=

143,60F

en voor de laminaire waterlaag:

tfi

=

l04

i

133

=

1180F

Nu wordt:

~

=

150 ( 1

+.

0,011 tfi) (VI

)0~~8

I(D'

)0.:2

waarin tfi = 1180F, en de overige grootheden 'hetzelfde blijven als

eerder aangegeve:ri';~

We vinden dan hi

=

588 Btu/(hr)(sqft)(deg F)

h = 0 725(Kf3.,JJf2 gl\) 1 / 4 , .

: : 2 , ' ,NDo

i

f ót De grootheden moeten genomen worden

bij 143,60F

K

_{f143 ,6}

=

0,086 Btu/(hr)(sqft)(OF per ft) '0 = 51,42 lb/ cuft ,I 143,,6 ~

=

172 Btu/lb ~143 6

=

0,92qIb/hr ft IA i '

e

ót

=

176~2 ~ 133 = 43,2 F

We vinden dus voor hQ : 176 Btu/(hr)(sqft)(deg F)

1 "U_o

=

~D--~1~1-=5:-.'1=-=-D----=D~-~1-o + . 0 log :::JJ

+.

h-K , . Di 0 Dihi . K hierin blijft 10 . Do D-h- = 0,00218 J. J. 1,151 Do I Do K . og Di

1-T =

_o = 0,00077 1 Uo = 0,00218

~

0,00077 + 0,00568

=

0~00863 1

~

116 Btu/(hr)(sqft)(oF)

Controleren we nu weer de bij deze berekening aangenomen wandtemperatuur.' We vinden:

Temperatuürverval door laminaire waterlaag: 72,,2 x 0,00218 _18,20_F

0,,00863 =

Temp e ratuurverval door wand 72,2 x 0,00077._ _65°F

0,00863 - ~

Temperatuurverval door condensaatfilm 72,2 x 0,00568 _47;50

_F

r

/

-.

1.7

-Voor de wandtemperatuur buitenkant vinden we dus o .

. 176,2 ... 47,5

=

128,·7 F

en voor de wandtemperatuur binnenwand 122,20F

We zien dus dat de werkelijkheid reeds aardig benaderd was, immers

aan-genomen was een wandtemperatuur van 1330F, en gevonden wordt nu 128,70F~

We kunnen dus aannemen, dat de berekende waarde

U2

=

116 Btu/(hr)(sqft)(OF)

een reÖele benadering van de werkelijkheid is, zodat het we1n~g zin heeft

dezelfde berekening met de nieuw gevonden waarde van de wandtemperatuur opnieuw uit te voeren.' Immers zal het verschil van 3,30F slechts geringe

veranderingen in hi en ho ten gevolge hebben~

We hebben nu dus: U₁

=

95,5 Btu/(hr)(sqft)(OF) U2 = 116 Btu/(hr)(sqft) (OF) U 1 Ó t 2 ., U2 Ó t 1 q - A

--=---:--....;.;..--- U1~t2 ln =--:--:---~2At1 I>

~~

=

117,20F

IJ.

t₂ :::: 72.,20F q = 172 x 16040 x 2,205 Btu/hr = 6083330 Btu/hr

A=

. 0 . q

=

616 sqft .'

Bij de g~obale _{.. ot:} berekening werd gevonden 807 sqft _{, . ..r ., ~ '.0(. .~_~}

We J.l~dde~ dan 600 b.uizen 3/411 _{BWG 14 met een lengte van} 8~'f35 _ft We zullen 600 dergelijke buizen aanhouden, dus met 3 passes De lengte der buizen wor.dt dan echter::

L

=

600 x 0,'153 ft 616

=

6.,71 ft .. -.

=

2.,04' m

" ' .... ,.'-",-l.. .. -: ... 0

'0v.f

0 0 ' ; 0,' •

"

~~ o}~

"

. . . . . '

..

o 0 ' ~if 0 , , r , 0 _ " " . . , 0,

,X"';V

'

:' ,/\ ' '

-1. Rapport CIOS XXXII . .. -... " .. :... . 2. Rapport ": ",". '," ', .. ,': '3. Rapport CIOS XXX CIOS XXVII BIOS MISC 107 103 85 60 , ... " .. ." ~'" .... "

..

., . ... . .. : ... .. 0 0 • • " "

,

ot, -' _{'r' ~ ','}

,-

0 I , ,4. Rapport 5. Rapport FIAT 888 6.' Ind.Eng.Chem.' ~ 20-~0 (1948) 7. Chem.Eng.Prog. ~ 174 ,(1952) 8. Trans.Am.lnst.Chem.Eng. ~ 379 (1946) 9. Trans.Am • .Inst.Chem.Eng •

.41

453 (1945) 10. Br. Patent 254819 (1925) 11. Br. Patent 638754 (Juni 1950)

12. U.S. Patent 2067473 (Jan. 1937)

13. Jap. Patent 157787 (Juli 1943)

14. Rev.Phys.Chem.Japanji 53-62 (1942) 15. Jap. Patent 162927 (Mrt. 1944) 16. Brennstoffehemie

12

13-22 (1949) ,17. Brennstoffehemie

11

74, 361 (1950) 18. Brennstoffehemie ~ .517 (1943) 19. Chem. Weekbl. 48589 (1952) 20. Ind.Eng.Chem. ~ 558 (1948)

21. Me. Adams: Heat Transmission (1942)

22. Drew, Nagle, Smith, Trans.Am.lnst.Chem.Engrs.31 605'(1935)

23. BroqMareo, Introduetion to Heat Transfer

(1942)/u,..'~,S~)

~/

. .~ ~ .. .. ... ~~ .. " . ..

.

" . .. . ... :.". ..:;' ; • "0' :"0 • • : . -:: _{... .} ,

.

• .' ' •• 0" ~ ~,. I " . , , , · .... "

.

• <, . . . ~ • • ~ • • • ' : . ' '~' • • : , .

.

. . ... ... ~ • A • I • .• ,. .. ... .. • .. .. .. "',... .: .. ':,. .. .... -: .. ~ .. ''''''' .

..

~.. ."', .. .-.'. ..

...

· ~.' • . . . 0 • • • o ,

.

. ... .... ... "., 00 ' . : J .... -._;_ 0. .. .. t : . o . . .. .~ . .. > • •

.

~ • • • • • • • _ . .. • • ~ # ' . ..