Bereiding van 55% salpeterzuur volgens het Ostwald-procedé

•

r

--

---~c , "

-'

i:

1

j

~ :_~= - ~-i

-

i

fn1

l-

~

,

I

I~

"..-11f

,

,~

.

-

1

-3

~

\.IF

_{i l} ! ... , ---1 1 1

p

'i

~

=

-

~

i

J.:

'

,

C

r

:

,

7'"-

_1n

:

·

ili-

T'~

,

\jE~~

~

G~!1

I

:~

1

,

=

,

I .

)J

I , ;: ~ J ,---11 ' j

-=-

[=1-

__

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

~~----H

""

~i , : c.

r

'

r

-

_-

_!

l'

I r 1 '

~

- 'f- .-I 1- - , ... -~ "'I [ ... - 1 / \

,,-/

,'. ~ ,': '. _ _ - - 1 . , . . , .. ·" ... "1· TOl ••• " T

=r

,

/

,

, ,

~

'1:

_{li l!} '\

./

\

1 i ' \ , , i '

V

\

.

~

j

b

I

~

I ~

'

I

]

i\

_

_

:

II

~

:

,

i

f

1

i

,

.

t

,

~

I

~

'

~

r

'

~

!

~l

1

d

:

1

_ U

U

J

_ _ _ ~ ---.I ,~

v

~. _, , !l

'-

I

I, <'-.

-t

~

I--

I---C;;:::;

~

I

-I-

r

--o

.'.

:

>-

l!J

~

j

- , 1 1 "

;

1

'

r..'

~

·

r

,

-

-'r ' I ~ i · ' " , I .. t î.:..1

,

-,

~

:

J

:- 1 - "1

r

J

.r

1

r

----

1

J-

-w

t

' .

~

1 ~ , ' 1 J U

J

~

J(

;:

~:

SAI. ... TlUllU. 'U.'«;"I' _ •• t •• ,I1.

. . . 1 1:" ~ J.'.T, ... A ....

-B E R E I D I N G VAN 55% S A L P E T E R Z U U R

VOL GEN S

J .G.T. van Aken,

Oude De l f t 55,

Delft.

H E TI o

S

T

WAL D - PRO eED E •

- 1

-De landbouw gebruikt grote hoeveeTheden kunstmest" vooral in

de vorm van gebonden ammoniak. Was aanvankelijk

zwavelzuur-ammoniak de belamgrijkste kunstmeststof, langzamerhand zijn

ook kalkammonsalpeter, kalksalpeter, fosfaatammonsalpeter,

superfosfaat en ureum in zwang gekomen. Op het ogenblik stijgt

de wereldbehoefte aan deze laatste stoffen met

5

%

per jaar. De bereiding van salpeterzuur uit ammoniak is praktisch geheel

geconcentreerd in de kunstmest producerende bedrijven, waar

het gebruikt wordt om de ammoniak te binden in de vorm van

ammoniumnitraat" kalkammons~peter en fosfaatruumonsalpeter.

z."ur

Verder wordt salpeter":" gebruikt voor de bereiding van diverse

synthetische organische chemicalien" springstoffen, anorganische

nitraten en kleurstoffen.

Vele landen die nog geen chemische industrie bezitten proberen

de kunstmest-industrie aan te treüen. Zo wordt in Assoean in

het zuiden van Egypte een grmte stuwdam in de Nijl gebouwd.

De,met behulp van waterkracht op t e wekkenJelectriciteit gaat

men gebruiken voor de lDlnstmest-bereiding.

Electrolyse van water levert: waterstof en zuurstof" ge fracti-oneerde condensatie van lucht: stikstof en zuurstof. Uit

water-stof en stikstof moet volgens de Haber-synthese ammoniak bereid

worden. Door van de helft van het ammoniak salpeterzuur te maken

volgens het Ostwald procédé, kan tenslotte kalkammonsalpeter

verkregen worden door het overgebleven ammoniak te neutraliseren met salpeterzuur en het gevormde ammoniumnitraat te mengen met

mergel. (zie schema)

Voor de in dit project te bouwen salpeterzuurfabriek is een

la

-Schema kalkammonsalpeter-bereiding i n Assoean, Egypte.

lucht ) .'\! gefractioneerde condensatie water electrolyse • I '. Haber-Bosch -synthese .,BH, ,'-i H%. o~ , lucht i sal ';!eterzuur -fabriek NH 3 mergel

HNq

. _ \ / ' . ' I kalkammonsalpeter -fabriek water I

-

.

2

-M

_---

°

GEL I J K E T E C N IS C h E B E R E I DIN G S

-W

_---

I J

ZEN

.

(lit. 1~2)

l~ Bereiding uit Chili-salpeter en zwavelzuur volgens Uebel of

Valenti14er. 2 N'aN0.3

r

Il,tS0'f ~ Nal..SO~ ~ 2 HN0,.3

Dit wordt enkel nog toegepast voor de bereiding van gec

oncen

-treerd salpeterzuur. '

2. Het vlamboog-proces volgens Birkeland - Eyde. Nl.

~

0"

32~

·ClNo

In Noorwegen is dit een tij d toegepast omdat men daar de be~

sChikking had over zeer goedkope electriciteit. Tegenwoordig

is het proces ook daar niet meer rendabel.

3. Het Wisconsin proces.

l.:et behulp van aardgas en overLlaat voorverhitte luCht wordt

een zone waar de temperatuur 2l00~ is verkregen en waar

de reactie Ut + Ol ~ l NO plaatsvindt.

Vervolgens vindt invrîezihg' van het evenwiCht in een koude

ruimte plaats ell wordt het gevormde NO geoxydeerd en in water

geabsorheerd. Onlangs is in de V.S. een fabriek volgens dit

principe gebouwd. Ze bleek echter niet rendabel te zijn.

4. Het Ostwald-proc~dé •

.Arnrüoniag en lucht worden bij 700-,<100·C over

platina-kataly-sator geleid waarbij het BIilllloniak verbrandt tot NO volgens:

4 NH,3 +

5

Ot ~ 4 NO +

6

Hl.

°

Dan oJcydeert het Hé) met de overmaat luCht t ot NOl. volgens:

2 ifO + OJ. ~ 2 NOl.

~

waarna het ~roxyde door water geabsorbeerd wordt volgens:

3

Nel. + B 2.

°

~ 2 EN0₃ + NO

5.

.Ammoni ak-verbranding met zuurst of volgens Wendlandt •

I~pla&ts van lucht wordt zuurstof gebruikt voor de verbranding

en de oxydatie. Om get explosiegevaar in het gasmengsel

35

%

NH3~ 65

%

O~ tegen te gaan is vlak onder het platinanet

een waterlaag aangebracht. het kan enkel toegepast worden

wan-neer zuurst of zeer goedkoop voorradig is. De voordelen van

dit proces zijn kleine oxydatie-absorbtie-ruimten,omdat geen

inert gas aanwezig iSI terwijl tevens zuur van hoge sterkte

gemaakt kan worden.

0

p

grot e sChaal is het nog ni et

verwezen-lijkt.

Momenteel is het Ustwald-procédé het meest economisChe proces

voor de fabricage van salpeterzuur.

.

.

- 3

-Uitvoerings-mogelijkheden van het Ostwald-procédé •

Het proces is te verdelen in:

a. De verbranding.

Een mengsel van lucht en ammoniak (9-13%) wordt in convertors bij 800-900 d

C over platina geleid, waarbij meer dan 90

%

van het

ammoniak verbrandt volgens:

4 NH~ t-

5

Ot ~ 4 NO 1- 6 H_t 0 , en de rest volgens

4 NH.3 1" 3 O~ ~ 2 N ~ .,. 6 H "-

°

b. De oxydatie-absorptie.

Het NO in het gcs uit de verbranding oxydeert na afkoeling tot beneden 100 ·e tot N02. in de oxydatie-ruimte volgens:

2 NO 1- Ot ~ 2 NO,,- •

De reactiesnelheid is niet groot maar het evenwicht ligt bij tem-peraturen beneden 100

t

geheel aan de kant van het NO_Ä •

Door water of verdund salpeterzuur wordt het NO~ geabsorbeerd,

waarbij echter NO 3 NOt + HtO -')

vrijkomt. 2 HN0₃ + NO

De oxydatie-absorptie moet dus enige malen herhaald worden.

De realisering van dit gedeelte van het proces gebeurt in een

of een serie torens of liggende cylinders, waarin vloeistof en gas

tegen elkaar instromen, zodat het gas armer wordt aan nitreuse

gassen en de vloeistof rijker aan salpeterzuur.

In 1912, toen de eerste salpeterzuurfabriek volgens het Ostwald

-procédé in bedrijf ging, beschikte men nog niet over grote

hoeveelheden staal dat bestand wes tegen ni teuse gassen en salpeterzuur. De oxydatie-absorptie-torens waren Van keramisch materiaal gemaakt, waardoor bij atmosferische druk gewerkt moest

worden. (lit.3)

De ontwikkeling van het chroom-nikkel-staal betekende een bela ng-rijke vooruitgang in de salpeterzuurfabricage omdat nu onder druk gewerkt kon worden. De voordelen hieraan verbonden waren:

minder katalysator, minder verbrandingsruimte, minder oxydatie-absorptieruimte, hoger rendement en sterker salpeterzuur. (lit.4) In 1930 bleek dat een compressor voor niteuse dampen geconstrueerd kon worden, wat tot gevolg had dat men in Europa de verbranding

4

-bij atmosferische druk en de oxydatie-absorptie bij een druk

van 2,5-4 atmosfeer ging uitvoeren. Met deze werkwijze werd

een hoger verbrandingsrendement verkregen en was het verlies

aan platina kleiner dan bij de verbranding onder druk. (lit.5)

In de V.S. en in som~ige Europese bedrijven laat men momenteel

zowel de verbranding als de oxyde tie-absorptie onder een druk

van ongeveer 8 atm. plaatsvinden. De absorpttè gebeurt in een schotel-kolom met buoble-caps op de platen en inwendige

koeling op iedere plaat. (lit. 6)

In Europa is het goedko)er om de verbranding bij atmosferische

druk te laten gebeuren, en daarna pas te comprimeren tot

2,5 - 4 atm •• Het oxydAtie-absorptie-systeem bestaat hier uit

gepakte torens of op een helling liggende cylinders ( het

cascade s.y;steem van F'auser-Montecatini, lito 5). De oxydatie-en absonptie-warmte kan hier afgevoerd worden met uitwendige koeling.

In onderstaande tabel worden het Amerikaanse en Europese sys\ teem met elkaar vergeleken. (lit.7)

: Amerikaans

Inversterings-kosten. 1

Roestvrij staal. 1

Rendement verbranding.,

Rendement absorptie.

Zuursterkte. Ratalysator-verlies. 95 - 96

%

Verbranders. Absorptie. 97 - 98

%

57 - 60

%

2 4 klein ~en schotelkolom met bubble-~aps. Europees 1,25 1,40 97 - 98 % 97 - 98 % 55 - 60 % 1 groot 5-10 gepakte torens of :16-20 cylinders. Compressor. ;Comprimeren tot 8 Comprimeren tot 2,5

atm. Gecomprimeerd 4 atm •• Ni treuse gassen

Energie-verbruik.

gas moeilijk te dus compressor Van reinigen van olie- roestvrij-staal. druppeltjes en

Dzerdeeltjes,daar_

door kat.-verlies. :

- 5

-De investeringskosten, de prijs van de energie, roestvrij-staal, ammoniak en p12tina bepalen welk systeem en welke druk de goed

-koopste fabricage mogelijk maakt.

~ Voor Egypte bleek het Europese systeem de voorkeur te genieten " \..

\~ boven het Amerikaanse. Rekening houdend met de verschillende

\' ' '.' ',.

kostprijs bepalende factoren bleek, dat verbranding bij 1 atm.

en oxydatie-absorptie bij 4 atm. de meest economische bereiding van salpeterzuur daar zou mogelijk maken.

De geplande kunstmest-productie in Assoean heeft een

sa~peter-~--"''''

zuurfabriek nodig van 180 ton N in zuur / dag

=

1500 ton 55

%

salpeterzuur / dag.

Een cergelijk grote hoeveelheid kan niet in een fabricage- een-heid bereid worden. De constructie ervan wordt zeer moeilijk en bij een storing staat de gehele productie stil met alle gevolgen van dien voor de andere delen van het bedrijf.

Het oxydatie-absorptie-systeem van de gekozen Europese w&kwijze kan tot 50 ton N in zuur / dag verwerken, zodat dus 4 èènheden van 45 ton N in zuur / dag

=

370 ton 55

%

salpeterzuur /dag nodig zijn. Een zo'n eenheid wordt in dit verslag beschreven.

r

- 6

-a. ~e_v~r~r~n2i~g~

Een mengsel van lucnt en ammoniak wordt bij 800 - 900 DO over platina katalJlsator geleid, waarbij de volgende reacties plaatsvinden; 4 NH.3 -t-

5

Ool ~ 4 NO 4 NH_J +

3

O~ + 6 H _~ 0 +- 6 H 0 _~ L) H 298 .K

=

-216,6 kcal. Ál-i 298 OK = -302,7 kcal.

Over het reactie-mechanisme is niets met zekerheid te zeggen.

De factor welke het proces beheerst schijnt echter de

trans-portsnelheid van het ammoniak naar het geheel met zuurstof

bedekte platina te zijn. Een nieuw platina-net wordt .in korte

tijd met bloemkoolvormige uitstulpingen bedekt. Wanneer dit

gebeurd is, worct pas een goed verbrandingsrendement verkregen. Stikstof onstaat door disso6iatie van NH~ en NO en door

reac-tie van NH₃ met NO of HNO~ . Door overmaat zuurstof worden

deze reacties belemmerd.

De factoren welke invloed uitoefenen op de verbranding worden

nu successievelijk besproken.

Druk. In de praktijk is gebleken dat drukverhoging het rendement

verlaagt en het katalysator-verlies verhoogt, zodat het enige

voordeel ervan is een compactere convertoD. (lit.5,6)

Temperatuur. Verhoging hiervan verhoogt het

verbrandings-rendemen:b, maar ook het katalysator-verlies. Bij atmosferische

verbranding is een temperatuur van 850 ·0 de meest economische. (lit.10)

%

NH₃ en verhouding ~I NH3 •

Wegens het explosiegevaar van een ammoniak-lucht mengsel bij

hoge temperatuur mag het

%

NH₃ niet hrl>ger dan 13

%

zijn.

Uit metingen is gebleken dat de verhouding O~I NHJ ) 1,5 moet

zijn om een behoorlijk verbrandingsrendement te verkrijgen,

al is volgens de reactie-ver~elijking 1,25 voldoende.

Het katalysator-oppervlak moeD nl. geheel met zuursto~ bedekt ~ijn. Hoe groter de overmaat zuursto#, des te beter is het rendement. De bruto-vergelijking van de salpeterzuur bereiding

7

-De ideale ~/ NH3 verhouding is dus 2. Met lucht als

zuurstof-bron zou het gehalte aan am~oniak slechts

9

,

5

%

kunnen zijn; dit vraagt veel verbrandingsruimte. Economiscner is het dan een ammoniak gehalte van 11 - 12

%

te gebruiken.

Door electrolyse van w~ter beschikt men in Assoean over zuivere zuurstof en kan men door di t te suppleren zowel een NH₃

%

van

11,5 ;·b als een

°

₁ / NH.3 verllouding van 2 berei ke n.

Deze s8menstelling heeft de volgence voorcelen: a. geen explosie-gevaar,

;z

b. weinig verbrandingsruimte / mJgas, c. hoog verbrandings-rendement.

Katalysator. Hiervoor gebruikt men netten van platina-rhodium -legering. Het verbrandings-rendement is hoger bij een legeriing welke meer dan 2 c;b aan rhodium bevat dan bij een leger~ing waarin rhodium slechts als verontreiniging voorkomt. (lit.ll)

~evens dient het rhodium ter harding van het bros-se platina.

(lit.12)

Contacttijd. Aan T _ li:~ dacht men dat er een opt~~sle contact-tij( beatond (lit.

9),

maar latere proeven bewezen het tegendeel. In de meeste gevallen is de contacttijd

on~eveer

10-4 sec.

Belasting. In de convertors ver loopt de re::;ctie praktisch aut~o­

therm. Een gassnelheid lager dan de vlamsnelheid heeft tot gevolg dat de vlam voor het net verschijnt en het ammoniak ont:heed wordt. Bij verhoging van de gpssnelheid zal de warmteoverdrachts-c~effi-cient-evenredig toeneMen met de stofoverdrachts-coefficient.

Zo lang de reactiesnelheid veel groter is dan de snelheid van stofoverdracht verandert de warmte-ontwik eling evenredig met de warmte -afvoer en blijft de net-temperatuur constant. Bpee 1 t de reactiesnelheid wel een rol dan worct de net-temperatuur lager en bij zeer hoge snelheden kan het net koud geblazen worden.

Bij atmosferische veroranding bedraagt de oelasting 2 - 2,5 ton

liJ' in zuur / m2 convertot' doorsne(e.

Bij de berekeningen is aangenomen dat het verbrandings-rendement

- 8

-De re8ctia-gassen van de verbranding worden afgekoeld en

gecomJrimeerd, waarbij reeds enige co :densrtie van salpeterzuur plaatsvinèt. hierna geoeurt de oxydatie en absorptie in gepakte torens waarin gas en vloeistof tegen elka2r instromen.

De bruto-vergelijking is: 4 NO t- 3 04 + 2 Hol0 - ? 4 illTO..3

Deze kunnen we verc:elen in: 1.De oxydatie van NO.

2 NO 1- 0,t ~ 2 NOt _{/). H} 298 .K

=

_{- 27,1} kcal.

Bij lage temperatuur libt .Llet evenwicüt geneel rechts; de

re~ ctiesnelheid is echter niet groot. Deze reactie is Van de derde orde. De reactiesnelheid voldoet aan de vergeli jking:

- dPNO 2

'.I ( f t

=

k.

%0

.

PO

.t (lit.13)

Door integratie van deze vergelijki ng krijgt men een formule welke het verband weergeeft tussen de oxydéJtiegraad, di t is het percentage primair aanwezig NO dat geoxydeerè wordt,

de partiaal-drukken van NO en O~ en de reactietijd. Clit.14)

i1em leratuur-verlaging, ëruk-verhoging en verhoging van het

gehal te aan zuurstof vergroten de oxydatie- snelheid. De reactie

-snelheid is evenreêig met de derCe macht van è_e druk.

2.De dimerisatie van NO~.

AH 298 0X

=

-13,8 kcal.

Dit evenwici1t stelt zich zeer snel in. IVlet beilulp van de evenwichtsconstante

drukken van NO 1.. en N l Ol, bereke nen.

3.De absorptie van nitreuse gassen.

kunnen we de pa

rtiaal-Over de Yineti ca is onvoldoende bekend om de reacti e-snelheid te kunnen berekenen. lVIen\ neemt aan dat het mechanisme er zeer schematisch als volgt uitziet.

Vv'ater-moleculen desorberen uil; de vloeistof en reageren in de gasfase met de N~Of-moleculen volgens:

H _.t 0 J:iN0

- - - --,

9

-Bij overschrijding van öe verzadigi ngsdruk condenseert het salpeterzuur, terwijl het salpeterig-zuur zeer snel in trap -pen ontleedt. 4 HNO~ -+ 2 H:L

°

+ 2 NO + 2 N0.l.

Het evenwicht 2 NOot ;::! N

~

0+ ste 1 t zich

o

n

midd~nij

k

weer in.

De bruto-vergelijking wordt:

2 HNO _J +- NO _{~ H} 298 'K

=

-17,2 kcal. Door dit gecompliceer de beeld kan men het verloop van de

absorptie slecl1t s berekenen wanneer men de beschikking heeft over empirische waarden van de absorptiesnelheid.

Verlaging van de temperatuur en verhoging van de druk hebben ook hier een gunstige invloed.

Voor het bepalen van de druk, de temperatuur en de grootte van de oxydatie-absorptie-ruimte welke de goedkoopste salpet er-zuur-oerei ding mogelijk maken, moet men de beschi kking hebben o-Jer de gegevens welke het verband weergeven tussen de druk,

de temperatuur, de oxydatie-absorptie- snelheid, de investerings-kosten en de energieprijs. Deze gegevens zijn geheim.

Drukverhoging betekent minder absorptie-rui mte, dus lagere

inversteringskosten, maar hoger energieverbruik.

Temperatuurverlpging heeft eveneens tot ~evolg dat er minder

absorptierulm~è nodig is, maar dat er meer gekoeld moet

worden dus hogere pompkosten en groter koeloppervlak.

Relatief hoge druk (4 aum.) is rendabel wanneer de prijs van

de energie laag is. Bovendien zijn dan de i nvesteringskosten rela~ief het laagst.

In Assoean komt in de toekomst veel goedkope energie vrij, met behulp van de waterkracht -cemtrale, welke energie daar weinig aftrek vindt. De Egyptische regering, die de fabriek bouwt, is iedere besparing in de investeringen welkom.

Vandaar dat de ke~ze van de druk viel op 4 atm., de hoogst

mogelijke öruk, welke nog rend:'bel i s bij de gekozen werkwijze. De temperatuur van het koelwater is vrij hoog door het warme klimaat, nl. 28 ~. Daardoor kan i n het oxydatie-absorp tie-systeem op economische wijze slechts tot

33

-

40 '0 gekoeld worden. Het absorotie-rendement bedraagt 98

%

.

(lit. 12)

10

-~~~~~~~J~~~~_~~~_è~_!~~~~~~~ (lit.12)

Het eerste deel van de apperatuur dient voor het bereiden van

het gas dat in de convertors wordt geleid. Hieraan worden de volgende eisen gesteld:

1. het gas moet zeer zuiver zijn, zodat het geen bestanddelem bevat welke de activiteit van de katalysator doen verminderen, 2. het moet de juiste homogene samenstelling hebben,

3.

het moet die temperatuur hebben, zodat in de verbrandings

-zone een temperatuur van 850 ~C bereikt wordt ten gevolge van

het vrijkomen van de reactie-warmte.

De lucht,welke door de compressor, drie voor het gehele

gas-transport in de fabriek zorgt, wordt aangezogen, ondergaat in

het s~6ffilter en de wastoren, waarin verzadiging met

water-d~mp plaatsvind~ een primaire zuivering. De voor de verbranding

benodic:;de extra zuurstof wordt tussen stoffilter en wastoren

gedobeerd. Na de wastoren volgt de luchtverhitter, een warmte

-wisselaar van pijpen in gegolfd-plaat geklemd, waarin met behulp

van stoom het gas tot ongeveer 60 ~ verhit wordt.

In de ejecteur doceert en mengt men de juiste hoeveelheid ammo-niakgas, zodat een homogeen gasmengsel met een NH₃ gehalte van 11,5

%

naar de verbranders stroomt.

'J.1ot hiertoe kan de apperatuur van staal gemaakt worden.

Na de ejecteur wordt het gas in drie paratel opgestelde filterkas:;".

t~n, met filterkaarsen van keramisch materiaal er in., gezuiverd van de fijne ijzer~ en stofdeeltjes, welke door corrosie in de stalen apparatuur ontstaan. De filterkasten en de leidingen naar de convertors zijn Van al,tuminium.

Verder moet overal roestvrij staal gebruikt worden, behalve de

pijpen van de stoomketel, welke van staal kunnen zijn.

De verbranding gebeurt dan in drie convertors, die een diameter hebben Van 2,8 m •• De katalysator-massa bestaat in iedere

ver-brander uit drie netten van platina-rhodium-legeriing;

6,5

%

rhodium, diameter van de netten: 2,8 m, dikte van de draden: 0,06 mm, aantal mazen: 1024 / cm2, gewicht van een net: 2,5 kg.

.'

\}'" .' , .. ; "",~' ~ . ~ ~ '-., ~ ... ,'-. '. ,.} -,' - - -- - - -- - - -- 11

-Het platina verlies bedraagt 150-250 mg / ton N, wasrdoor de

levens-duur van een net 12-14 maanden is. De netten rusten op een )~~

Raschig ringen. Bij het in bedrijf stellen wordt de gewenste

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

-peratuur ver!>:regen met behulp Van een waterstof-vlam •

In Èr±~ La Mont-ketelelementen, welke een geheel vormen met de

convertors wordt de bij de verbranding vrijgekomen energie gebruikt

voor de productie van stoom, welke elders in het bedrijf nodig is.

Deze productie beóraagt 5 ton / ton N en diG is stoom van 300 bO

en 10 atm. Het gas koelt hierbij af tot 150~.

De gasstromen worden nu weer samengevoegd en in koeler I~ verder

afgekoeld tot 35~. hierbij condenseert een 'grote hoeveelheid wa

ter-damp en een weinig salpeterzuur, zodat

3

'}b salpeterzuur uit de

koeler stroomt. Door de afscheiding Van de waterdamp en de afkoeling

wordt een belangBijke besparing in de compressie-energie verkregen.

De koeler bestaat uiteen rechthoekige kast met pijpen waardoor

koelwater stroomt loodrecht op de stromingsrichting van het gas.

Door deze constructie is een kleiner koeloppervlak dan bij het

gebruikelijke type condensors nodig en condenseert er slechts zeer

weinig salpeterzuur, omdat het gas korte: tijd in de koeler verblijft.

(lit. 15). Het condensaat wordt in de vierde toren van het

oxydatie-absorptie systeem weer ingevoerd.

Nu moet het gas gecomprimeerd worden tot 4 atm. Dit gebeurt in een

viertraps centrifugaal-compressor. Door het samenpersen stijgt de

temperatuur van het gas. De koeling vindt plaats door water in te

spuiten, dat verdampt en de temperatuur beneden 150·0 houdt. Deze

zeer efficiente wijze van koeling heeft tevens het voordeel dat

eventueel neergeslagen ammoniumnitraat, gevo~rmd doordat niet alle

ammoniak verbrandt, weggespoeld wordt. (lit.15)

30

%

van de compressie-energie wordt teruggewonnen door de

afgewerkte gassen in een expansie-turbine te laten expanderen,(lit, 12)

Met de warme gassen uit de compressor worden deze koude afgewerkte

gassen uit het oxydatie-absorptie-systeem opgewarmd tot 110·0,

'.'

"

"

12

-de temperatuur van het gecomprimeerde gas tot ongeveer 100 0

0. Dit gebeurt in een warmtewisselaar me-v lange pijpen"er in. , _{Het afgewerkte gas stroomt door de pijpen, het gecomprimeerde}

er om heen.

In koeler 11 wordt het samengeperste gas verder gekoeld tot 35 DC waarbij 25

%

salpeterzuur condenseert. Deze koeling dient

er voor de oxydatie bij een zo laag mogelijke temperatuur te laten plaatsvinden, wat de oxydatie-snelheid verhoogt. Door de condensering be~at het gas vrij weinig waterdamp en vindt tijdens de oxydatie praktisch geen condensatie plaats. Gassen met een hoog genalte aan nitreusen komen dan na de oxydatie in contact met verdund salpeterzuur, dat verrijkt wordt tot een zo hoog mogelijke concentratie. Het 25

%

zuur wordt in de tweede toren weer ingeleid. De constructie Van koeler 11 is analoog aan die van koeler I. (lit. 10, 12, 19)

Het 9x.ld~t~e=A~s~rEt~e:sls~e~m_. Clit. 21)

Voor het berekenen van de grootte van het systeem moet men eigenlijk de beschikking hebben over de waarde van de rea ctie-snelheid bij de gekozen druk en temperatuur. Deze ~'is ~ in de litteratuur niet te vinden. Met behulp van gegevens Van een fabriek welke volgens het zelfde systeem werkt bij een druk van 2,8 atm., kan men wel een schatting maken. Het aantal oxydatie-absorptie-torens ±~ i n die f abriek is 10, welke torens een hoogte hebben ~an 20 m en een diameter van 2,2 m.

De capaciteit van die ap9aratuur is iets kleiner nl. 36 ton N

in zuur

I

dag. C li t.12~

Wanneer we nu aannemen dat de oxydatie snelheid en de snelheid van de absorptie-reactie Nl. O~ +- H.t 0 ~ HlIJ03 -t HN01

in hoofdzaa~e snelheid van het gehele proces bepalen, dan zien we dat de reactie-tijd omgekeerd evenredig is met plà2. De oxydatie-reactie is een reactie van de derde orde, dus de reactietijd is omgekeerd evenredig met p2, terwijl de genoemde, de snelheid bepalende, abso~ptiereactie van de tweede orde is en de reactietijd dus evenredig is met lip. Verhogen we de

druk van 2,8 tot 4 atm dan wordt de oxydatie-absorptie-tijd dus

13

-0,5

äO,7 maal zo lang. Door het suppleren van zuivere zuurstof

wordt de partiaaldruk hiervan verhoogä en de oxydatiesnelheid

daarmee ook. De totale verkorting ten gevolge van de ä

ruk-verhoging en de zuurstof supplering wordt geschat op

0,5

ten

opzichte van de in de litteratuur beschreven fabriek.

De gassnelheid is het zelfde genomen nl.

0,5

m/sec, zodat

vijf toren~an 20 m hoog nodig zijn.

De torens zijn onderverdeeld in compartimenten, waar salpeter

-zuur van de sterkte, die in dat dèel bereikt wordt, circuleert

om de reactie-warmte af te voeren. Voor de verdeling in deze

compt artimenten wordt ook de bescüreven fabriek als

voor-beeld genomen. In Assoean moeten de eerste twee torens vier

compartimenten bevatten, de volgende twee twee en de laatste

een compartiment. De eerste twee compartimenten van de eerste toren dienen als oxydatie-ruimte. Hierin wordt een

oxydatie-graad van 85

%

gehaald (in de beschreven fabriek 80;%).

In het derde compartiment van de eerste toren vindt pas

absorptie plaats en hier wordt het productie zuur afgetapt,

dat een sterkte moet hebben van

55

%

.

Op de laatste toren wordt

gedemineraliseerd water gesuppleerd. De torens hebben een

disme~er van 2,2 m en de compartimenten zijn gevuld met

Raschig-ringen van keramisch materiaal met een diameter van

2 inch.

Buiten de torens staan voor ieder compartiment een tank, een

circulatie

p

omp

~

een

stel zuurkoelers opgesteld, terwij I zich in de toren een sproeier en een opvangscDotel bevinden.

Deze maken de vloeistof circulatie mogelijk, waarmee de bij

reacties vrijkomende warmte afgevoerd wordt naar het koelwater,

waarmee de zuurkoelers besproeid worden.

Het condenserende en circulerende zuur loopt in de tank voor

de pomp. Wat deze niet aanzuigt gaat via een overloop naar

het vat dat hoort bij het ,volgende compartiment, waar dit zuur

---

---

14

-De zuurkoelers zijn platenkoelers van een speciale constructie (li t.1G), met ee'.1 besproeiings-systeem dat zorg draagt voor een totale bevochtiging van het buitenoppervlak van de koelers

met koelwater. (lit.17)

De toepassing van deze 8~paraten betekent een belangrijke investerings-besparing. Roestvrij- stalen plaat is nl, veel

goedkoper dan roestvrij- stalen buis per m2 oppervlak.

Omdat in de handel platen afmetingen hebben van 3 bij 1 m

bedraagt het oppervlak van een koeler 2x3xl;6 m2• Naar gelang

de behoefte worden ze bij iedere toren als een eenheid opgesteld.

De Worthington-pompen, welke voor de zuurcirculatie zorgen zijn

van zo'n goede kwaliteit dat er geen reserve pompen

geïnstal-leerd behoeven te worden. Mocht er een uitv'?llen dan vindt in

het betreffende compartiment geen absorptie plaats. Door de andere delen van de oxydatie-absorptie eenheid wordt dit in zoverre opgevangen dat tijdelijk iets slepper zuur g

eprodu-ceerd wordt. (lit.12)

Het oxy:d8tie .... absorptie-rendement is nog slechts afhankelijk

van de temperatuur nu de partiaal drukken van NO en 0Ä bepaald

zijn. Door de oxydatie in de leiding tussen koeler 11 en

toren I stijgt de temperatuur van het gas tot 90~. Bij de

berekeningen is nu aangenomen dat de temperatuur in de oxydatie

-compartimenten daalt tot 50-5::; ·0, door 55

%

salpeterzuur in

te spuiten met een temperatuur van 40 ·0, welke gedurende het

. verblijf in de toren stijgt tot 50~. De gemiddelde temperatuur

Van het gas is in de oxydatie-ruimte geschat op 70·0.

In compartiment 1...,;0 daalt de gastemperatuur tot 40-45 "0,

terwijl de temperatuur van het circulerende zuur stijgt van

35 naar 40~. In compartiment I-D olijft de gastemper atuur

temneratuur

sChommelen tussen 40 en 45 DO en de zuur"VS"tlJgen van 35 naar

40 ·0. Vanaf compartiment II-A daalt de gastemperatuur

geleidelijk tot 33 ~ in toren V. Het circulerende zuur laat

men al naar gelang de behoefte 5,4 - 0,7 ~ opwarmen.

15

-Het productie-zuur uit compartiment I-O bevat nog een kleine

hoeveelheid daarin opgeloste nitreuse gassen. In de scrubber

worden deze ui tgeè·reven met de zuurstof, die na de verbranding

nog gesuppleerd moet worden. Het afgewerkte gas moet nl. nog

3

%

zuurstof bevatten wil een oxydatie-absorptie-rendement van

98

%

genaald worden. Met een smoorklep wordt de druk van

het salpeterzuur verlaagt tot 1 atm. In een kàeine toren

gevuld met Raschig ringen vindt èe uitwisseling plaats.

De uittredende gasstroom wordt voor de compressor bij de

hoofd-gasstroom gevoegd.

;Qe_r~g~l~n~._

1. De comuressor is zeer goed gedimensioneerd en zuigt de goede hoeveelheid lucht aan.

2. Met meetflenzen in de lucht-jen ammoniakstroom en een

verhou-dings-regelaar wordt de gewenste noeveelheiè ammoniakgas toegevoerd. Een drukveiligheid voor de compressor is hierop

geschakeld, zodat deze geen groot vacuum kan zuigen in de

apparatuur.

3.

De zuurstof-docering na het stoffilten wordt gemeten en

eventueel bijgeregeld,mocht de afwijking van de gewenste

verhouding 8₄ / NH₃

=

2 te groot worden.

4. Is het drukVerval over de fi 1 tersivoor de convertors groter dan

0,02 atm. dam moeten ze gereinigd worden.

5. De tempera tuur i'ft de convertors wordt op 850 "0 gehouden door

de regeling van de stoomtoevoer aan de luchtverhitter, waar het gas dan precies goed voorverwarmd wordt.

6. De toevoer van condenswater aan de voorverwarmer~an de ketel-elementen wordt geregeld op het niveau in de drum.

7.

Mocht de temperatuur in de voorverwarmers lager dan 150

"

c

geraken, dan wordt inplaats van condenswater, water uit de

drum door de voorverwarmer gepompt. Condensatie Van salpeter-zuur moet hier voorkomen worden omdat de pijpen van staal zijn.

16

-8. Be toevoer van koelwater aan alle koelers wordt geregeld op

de temperatuur van de gekoelde stof.

9. De zuurstof-toevoer aan de scnubber wordt aan de hand van

het zuurstof-gehalte in het afgewerkte gas, dat ongeveer 3

%

moet zijn, bijgeregeld.

le.De hoeveelheid in de compressor te spuiten water wordt geregeld

op de tempeeatuur van het gecompr~imeerde gas welke tussen

145 en 150~ moet liggen.

11.Het percentage NO in het afgewerkte gas en het soortelijk-gewicht

van het geproduceerde zuur word"8l"1jgemeten. Is het eerste te hoog

dan moet meer gedemineraliseerd water op toren V gedoceerd

worden, is het tweede te laag dan minder.

12.Het goede verloop van de oxydatie-absorptie wordt gecontroleerd

door in ieder compartiment net soortelijk-gewicht en de temp

e-ratuur van het in- en uitstromende zuur te meten.

13. Ter berekening van de rendementen wordt de hoeveelheid

toegevoerd ammoniak en geproduceerd salpeterzuur gemeten

en het percentage NO in het gas uit de convertors bepaald.

G RON D SJ.'

°

E' ]i' EN.

De voornaamste en duurste brondstof is ammoniakgas, dat in

de

ammo

n

iak-s~nthese vOlgen~~liaber

- Bosch procédé gemaakt

wordt. De kosten van deze stof bepalen voor 75

%

de kostprijs van het salpeterzuur Clit. 10).

De andere grondstoffen zijn lucht, gedemineraliseerd water en

zuurstof. Dit laatste is een secundair product van de

èlectro-lyse Van water, welke nodig is voor de waterstof-bereiding.

HNO,, ; Kpt.: 83 "0 smpt. : -41,59 "0

1,502b9

a-egatieve azeotroop.

max. kpt.: 120,5 '0, 68

%

BN0₃

kpt.: 118 ~O

d;r 1,333

,

_{- - - -}

-- 17

-MATERIAAL - BALANS .

Productie: 45 ton N in zuur / dag

=

370 ton 55

%

HNO] / dag

Rendement: ï _overall

=

95

%

.

~~~!~~~~~~~ 45. 100/95. 17/14

=

57,5 ton/dag

=

2400 kg / uur

=

141 kgmol/uur

=

3160 Nm 3/uur.

In de wastoren wordL net lucht-zuurstof mengsel verzadigd met

waterdamp. Bij de aangenomen temperatuur van 28 ~ is dit 3,5

%

Gas voor de verbranding:

NH _J 11,5 ,/0

=

141 kgmol/uur

°

.t 2 x 11,5

=

23 ;0 ./

=

282

, ,

H ot

°

3,5. 88,5/100

=

3,1 /0

=

38

, ,

N.z 62,4

%

:::;

__

Z§2

_

'

,

1226

, ,

₌

27400 Nm3/uu Lucht-toevoer: ---- N.t 79

10

=

765

,

,

°

l

21 ,!ó

₌

_---204

,

,

969

,

,

₌

21700

, ,

Zuurstof-toevoer: 282 - 204

₌

78

,

,

₌

1770

,

,

---Overall-materiaal-balans·.

Verbre.nding: (

1

=

97 ;b)

4 NH3 +

Oxydatie-absorptie: 134,3 NO + 100,8 0< + 67,2 .tl.z0 ~ 134,3 HN0₃

(

7

:::

e8

ia)

Productie 55

%

HN03 : (H.tD/HN0.3

=

2,86) HN03 : 134,3 kgmo1/uur = 8450 kg/uur lit O: 384 Afgewerkt gas: NO 0:t 3 N _.t 1,5 )0

=

la

₌

=

, ,

₌

_22~Q_ 15370 2,7 kgmol/uur 24,2 kgmol/uur 12,1

,

,

767

,

,

---806

,

,

H~O : 384 + 12,1 + 67,2 - 211

=

,

,

,

,

₌

11600 l/uur

₌

370 18000 Nm3/uur. 38

=

214,3 kgmol/uur

=

3860 kg/uur. ton

Gag

O

~

: 174 + 166,8 + 24,2 - 282 = 17 kgmol/uur

=

380 Nm

3

/uur.

- 18

-De materiaal-bnlansen van alle apparaten waar reactie

plaats-vindt is in de vorm van een schema opgesteld. Hierbij moet het volgende opgemerkt worden.

a.Berekening van de oxyd8tiegraad in de verschillende compartimenten van het oxydatie-absorptie-systeem.

Met behulp van de formules uit lit.14 kan men de oxydatiegraad berekenen, voor een statisch systeem. Vvanneer propstroming op-treedt in een stromend systeem dan mogen deze formules ook ge -bruikt worden (lit.8). Bij de meeste industrieêle apparaten vindt

melging plaats en is de verblijf tijd van ieder deeltje verschillend. De gemiddelde tijd dat een deeltje in een compartiment verblijft is nu berekend door aan te nemen dat de oxydatiegraad na compar-timent I-A en I-b 85% bedraagt, welke aanname gebaseerd is op het feit dat in oe beschreven fabriek (lit. 12) in de oxydatieruimte een oTj"déJtiegraad van 80 ~/; bereikt wordt, zonder dat zuivere zuurstof gecoceerd wordt,

Bij oxydatie zonder aosorptie geldt voor de reactietijd:

Hierin is: a = beginconcentratie ~ = 11,4 vol

%

2b =

,

,

NO =12,3 vol ;'0 n = oxyë8. tiegraad

₌

85 ol'

/0

k = reactie-constante = 2,63.

H5

3 bij 70 'IJ

p

₌

druk

₌

4 atm.

Dan is _{t = reactietijd = 7,85} sec.

Bij de berekening van de oxydatiegraad in: de 'erscnillende

com-partimenten is aangenomen dat de verblijf tijd van de deeltjes

2 x 7,85 = 15,7 sec/toren ER~EXg±X is. b.Berekening van de absorptie .

Hiervoor is gebruik gemaakt Van bedrijfsresultaten Man het

beschreven beörijf.~lit.12) De sterkte van het zuur dat in ieder compartiment bereikt wordt is geschat met behulp van de

overeen-komstige gegevens van deze fabriek. Voor Assoean zijn deze schattingen:

- 19

-Compartiment: I-A I-iJ I-C I-D ll-A 11-15 II-C II-D

Zuursterkte:

55

/0

55";

;

0 55

>b

45;'~ 35/'; 25% 17/6 13%

Compartiment: III-A III-B IV-A IV-b V Zuursterkte: ₉ iO b /0 4 ';6 c:.,5>0 1,5lo

c.Voorbeeld van de oerekening van de materiaalbalans van een compartiment, nl. comparlJirnent I-C.

Gastoevoer: NO : 21,1 kgrnol/uur. 0< :03,8 kgmol/uur

NOl.: 60,3

, ,

H,t0: 11,4

,

,

L,tO,,= 21,2 " N,t= 767 "

Oxydatiegraad n

=

(-B

±.

V

1)2 - 4AC)/2A •

2 · )

Hierin is: A = t .b.k.p .(4a+6b + 6

[ 2 ~

B

=

-

t .b.k.p .\18a+9b) + 1~

2

C

=

t .b.k.p .18a

wanneer tegelijkertijd oxydatie en absorptie plaatsvinden.

a = 6,75 vob0 p

= 3

,98 atro

2b

=

2,22

, ,

k

=

3,8. 10-3 bij 40 ·C

Hieruit volgt : n

=

84

%

.

84% oxydatie: 17,6 NO + 8,8 0< -- 17,6 N0.1.. kgmol/uur

stel absorptie: 3x NOot + X ~i.t0 - - 2x lJN0.3 + x NO kgmol/uur

Het gas is verzadigd met waterdamp. '.ie oereke~n is dat bij

een temperatuur van 48

·

c

,

een druk van 3,97 atm. en 55 ,-;b DNO_j

het gas 0,76 vo1h waterdamp bevat. Gas Zuur Zuur afvoer: NO 3,5 + x kgmol/uur 2 NtOc, + NQ:120,3

-

3x

,

,

0,

.

.

55

,

,

Nt ~767

,

,

°

r E) litO : (945,8 -

2X)gg~~~

, ,

afvoer: toevoer: tJN03 : 130,6 kgmol/uur

.

f:L1..0 :373,1

,

,

45 jo _{LJ'~03 H1.ü /} HN_{03 =} f'::Nq:130,6 - 2x rt~O:(130,6 - 2x) 4,03 4,03. kgmol/uur

,

,

(130,6 - 2x) 4,03 + 11,4

=

373,1 +x +(945,8 - 2X) __

o

L_76 -99,24 x = 17,3.

- - -

-- LO

-Dus absorptie-reactie: 51,9 N0₄ + 17,3 l"1_ÀO ----> 34,6 .HNO,3 + 17,3 NO

Berekening evenwicht 2 NO~~ N~07. 2 PN 0 + PNO

=

0,298 atm . .l. .., .l. K P N~Ol, =-1. ----P NO _z

=

3,7 bi j 40 ·e

PNO

=

0,14 5 atm. NOt : 35,0 kgmol/uur in gE<safvoer

2.

%

0 = .0,077 atm. N.!Of :16,7 ~ ~

,

,

Dedimerisatie-reactie: 4,5 N~O~~ 9

,

,

,

,

NO.z. kgmol/uur.

Gas-afvoer: NO 20,8 kgmol/uur Ol 55,0 kgmol/uur

NOt 35,0

, ,

liLO 6,9

, ,

N ~0'r 16,7

, ,

N<. 767

, ,

Zuur-toevoer: HNOJ : 96,0

,

,

,

,

d.Op de zelfde wijze is de materiaal-ba13ns van de andere

bompartimenten en de koelers I en 11 berekend, met dien ver

-stande: de berekening van het evenwicht 2 NOl ~ N<. Of is slechts

ia de compartimenten I-A tlm II-A ge·oeurd, de berekening van

de oxydatiegraad in de compartimenten I-A t/m lIl-A, de bruto

reactie "4 NO + 3 Oz + 2 H.lu ~ 4 HN03 l evert een voldoende

nauwkeurige b21ans voor de koelers I en 11 en de comjJartimenten

III-B tlm V.

e.De invloed van het N0..t7 dat in de scrubber uit het HlW} ge"INaSSen

wordt, op het verloop van de reacties i n Koeler I en toren I

wordt verwaarloosd, omdat deze hoeveelhei d slechts 1,5 kgmol/uur

beëraagt. Het productie zuur bevat 6 g NO~

Ilo

55 ~~ ilNOj •

tiet mag slechts 0,06 gil bevatten dus uit te drijven:

-3

I

- 21

-Iv1a:be ri aal b al ams van alle a)paraten. Alle hoeveelheden in kgmol/uur

47,

°

NH3 94,

°

O~

j

gas: 12,7 .d~0 255,0 Nol Convertor -

-

-

-

-reacties: 45,7 NH3 + 57,0 O~ ~ 45,7 NO + 68,3 ti 1.. 0 1,3 NB ₃ + 1,0 Ol. - -t 0,7 Nz.. ₊ 2,0 _H1.. 0

1

45,7 NO 36,0 O~ gas: 83,0 ritO X 3 255,7 N.z.

I

!

Koeler I

- -

- -

-reactie: 1,4 NO + 1,1 0, + 0,7 _H 2

°

~ 1 4 , HNO 3

1

101356 ,

,

6 N9' - OO ~

₁

__ 1,4 HNO

.

] gas: 58,3 lIl.0 concensaat: 190,0 H.z.O

767 Nl naar compartiment I V-A

) 17,0 Ot. bO,7 II zO QO~PEe.§s~r (

I

1

gas: 135,6 HO 123,9 Ot.

1

119,0 H,..O 767 Nt Koeler 11

-

-

-

-reactie: 8,1 NO + 6,0 OL + 4,0 BLO ~ 8 1 HNO

1

' 3 127,5 NO

1

condensaat:

gas: 117,9 Ol 8,1

rrn

o

J

1

~4,1 BLO 90,9 rl<O

767 NL naar compartiment II-A

,

- 22

-Materiaalbalans van het oxydatie-absorptie systeem.

van koeler 11 127,5 NO

1

117,9 02,.

1

gas: Compartiment 24,1 _H t

°

767 Nl. I-A en I-B reacties: 108,2 NO + 54,1 0;1 -'> 108,2 NO~ 42,4 NO_z ~ 21,2 N :z0~ 5,5 NO,- + 1,8 R<.O - 3,7 HN0.3 + 1,8 NO 21,1 NO 60,3 NO _<. 21,2 N~O\ gas: _63,8 Ol

1

11,4 _{.ti z}

°

767 N.t

1-C

condensaat:

l

17,0 NOt. ~ 34,b HNO", reacties: 17,6 NO + 8,8 02 ~ 51,9 NOl. + 17,3 nlO 4,5 N..t 0y ~ 9, 0 NO~ 20,8 NO _lcondensaat: 35,0 NOt. gas: 16,7 N..t 0'r 10,9 RIO + 17,3 NO 130,6 HNO 373,1 H7..0 3 55,0 O~ _{geproduceerd zuur:} 134,3 HN0₃

j

6,9 _H 1

°

384,0 HAO 767 N1 I-D .J, reacties: 16,6 NO + 8,4 Dl. ~ 50,4 NOt + 16,8 H~O 10,3 NÄ.0~ 16,6 NOl. ~ 33,6 HNO.} ~ 20,6 N0.t t ondensaat: 21,0 NO 21,8 "-NO ~ gas: 6,4 NlO~ naar 1I-A 46,6 Ol an 1I-A

1

8,5 _h"O 767 Nt _v condensaat: + 16,8 NO 96,0 HNO", 385,9 _H "1

°

62,4 HNO ₃ 404,3 RIO

>

naar Compartiment II-D

1

I11-A I

1

gas: - 23 -7,6 NO 3,0 NOot 28,7 O~ 11,2 H~O 767 N 1. reacties: 3,3 NO + 1,6 0:1, 7,5 N0z. + 2,5 H~O

)

87,,4 NO 2 N0,t

I

gas : 30,3 O~ 11,0 H~O 767 Nt 11-C --- --reacties: 5,8 NO + 2,9 O~ 7,8 NO<. + 2,6 HJ...0

1

11,6 NO 9,2 N0,t

I

gas: 33,2 0.( 11,0 H _-t Û 767 N₂ 1I-B ---- -reacties: 10,8 NO + 5,4 _0" 18,3 N0:t + 6,1 .d"O

1

2,4 N:1,.O, 16,3 NO 11,9 N0.t. 2,4 _N.:t.0_" gas: 38,6 _Ol.. 9,8 H~O 767 N₁ II-A van 111-A

...

condenstaat: 9,3

1

338

,

6

~ 3,3 NOl ~ 5,0 HN0₃ + 2,5 NO

1

condensaa t:

1

14,3 HN03 335,9 Rot0 ----.." 5,8 NO~ ~ 5,2 HN0₃ + 2,6 NO

1

I

condensaat: 19,5 HN03

333

,

3

Hl.0 ~ 10,8 NO~ ~12,2 HN0 3 + b,l NO ----"> 4, 8 NO~

1

concenstaa t: 31,7 326,0 sn koeler 11: 8,1 HN03 H :{

°

HN0₃ 90,9 _H

°

reacties: 16,0 NO + 8,0 02 ~ 16,0 NOot 33,9 N0₂ + 11,3 Li.1..0 ~ 22,6 I-lli0₃ + 11,3 NO.

I

21,0 21,8 6,4 gas: 1- _46,6 van I- D 767 8,5 4,0 N.l.0~ NO NO,," N:1,.0$ O~ N

_z

H 0

_z

~ 8,0 NO

-,--j

condensaat: I naar I-D

1

62,4 HN0₃ 404,3 Hl.

°

I

,,--- 24

-r

₁

afgewerkt gas: 2,7 24,2 12,1 767 NO 0 2-H 0

gedemineraliseerd water: 153,6 B~O

Compartiment V

I

reactie:

f

IV-B

1

1

2. N2.. 0,6 NO + 0,3 rl.t0 + 0,5 O~ - 0,6 BN0₃ gas: 3,3 NO

1

24,7 0't. _condensaat: 0,6 lili0₃ 12,0 H.t0

1

153,2 _{H ..t}

°

767 N.2. reactie: 0,5 NO + 0,4 0", + 0,3 d~O

--

o

, 5 ENO 3

)

I

IV-A gas: 3,8 NO

1

25,1 O~ 1,1 BNOj 11,9 _{H ot}

°

condensaat: 152,8 H.t0 767 N2. 1,4 rlNO,! an koeler I: 190,0 _H

°

reactie: 1,5 NO + 1,1 0A + 0,8 _H :z

°

----'l> 1,5 HN0₃

I

5,3 NO

J

26,3 H.l..0 4,0 BN0₃ gas: condensaat:

I

11,8 O~

j

341,9 _{H 2..}

°

767 N;z. III-B ---reactie: 2,3 NO + 1,7 0..t + 1,2 d J..Û 2,3 r-.N0₃

I

7,6 NO

1

28,0 0.z 6,3 .HNO 3 gas: condensaat:

r

11,4 LitO

1

340,3 _{H 2..}

°

767 Nl III-A ---reacties: 1,0 NO + 0,7

°

A

₊ 0,5 H"O ---) 1,

°

jJ::J03 3,0 NOl. + 1,0 _{H ..t}

°

- - 7 2,0 BN0 3 + 1,0 :tW

I

7,6 NO

I

3,0 NOt. gas: 28,7 O~ condensaat: _9,3 Hl\J0₃ t van II-D 11,2 .d~0 naar II-D _{338,6 H.l.0} 767 N:t

1

- 25

-EnerO'ie-balans.

----Q---Luchtverhitter.

1047 kgmol lucht en zuurs .of/uur (C =7 kcal/kgmol 'C) en

p

38 kgmol waterdnmp/uur (C =8 kcal/kgmol '0) opwarmen van 28 - 60 '0.

P

AH =.1047. 7. 32 + 38. 8. 32 = 244.000 kcal/uur

Di t gebeurt met verzadigde stoom van 150 ·C, .1H = -506 kcal/kg

Benodigde stoom: 244.000/506 = 480 kg/uur.

Convertor.

Rea8ties: ~HR 25 'C

=

45,7/4(- 216,600) + 1,3/4(-302.700) =

-2.573.000 kcal/uur

Toegevoer~e gassen: . I.

-1. 300 kcal/uur · N.z + 0t:60 ti t

°

:

60 35 ·0: 411 = 349. 7. (-35) = -85.100 kcal/uur 35 '0: Átl = 12,7. 8.(-35) = __ =2~§QQ_ Afgevoerde gassen: 25 - 850 ~, NO, 0,2. ,N~ ; AH = 337,4. 7,2. 825 = -90.000 +2.005.000 : À E = 83. 8,2. 825 = 562.000 ---2.567.000

,

,

,

,

,

,

,

,

, ,

c;. ... . ..J

l.rotaal .1H _con v _er t _or = -96.000 k8al/ uur. Door de isolatie lekt

di t weg.

La Mont-ketelelement.

337,4 kgmol NO, 0" en N~ /uur _{(C p= 7,2} kcal/kgmol"O) en

83 kgmol waterdamp/uur (C,,)= 8,2 kcal/kgmol ·C) koelen af van

850 tot 150 ·C.

4 H = 337,4. 7,2.(-700) + 83. 8,2. l- 700) = -2.177.000 kcal/uur.

Hiermee wQrdt stoom van 300 t en 10 atm, geprodu8eerd.

In de voorverwarmer wordt condenswater van 100 - 180

t

verhit. Ä H = 80 kcal/kg.

In de pijpen wordt verzadigde stoom van 180 ~ geproduceerd •

.1 .ti = 473 kcal/kg.

In de oververhi tter stijgt de stoomtemperatuur van 180 - 300 "C •

- - - -

--

-- 26

-Stoomproductie: 2.177.000/608 = 3580 kg/uur.

Vorirverwarmer: l1.n

=

3580. 80 = 280.000 kcal/uur

Llil'lm = 160 "C. U = 40 kcal/uur :TI 2 .0 •

Oppervlak voorverwarmer: A AH = 120 m 2 •

A '1.' U lm· Pijpen: ~ H = 3580. 473 = 1. 695. 000 kcal/uur. • , 2 ~ ó. T'lm = 270

o

.

U = 40 kcal/uur m 'v. 2

Oppervlak pijpen: A = 157.m .

Oververhitt er: LlH = 3580. 55 = 197.000 kcal/uur.

Llfl'l m = 250 "C. U = 40 kC3.1/uur

2

Oppervlak oververüitê:er: A= 19,5 m •

Koeler I

Afkoeling van 127 kgmol NO, 108 kgmol O~ , en 707 kgm_, ol N~/uur

van 150 - 35 ·0;

ó. H = 1012. 7. (-115) = -814.000 kcal/uur.

Afkoeling 58,3 kgmol waterdamj)/uur van 150 - 35 ·C:

LUi = 58,3. 8.(-115) = -53.600 kcal/uu"r.

Afkoeling en condensering Van 190,7 k6illol wa~erdamp/uur:

dH = 190,7 [8(-92,4) - 18. 5b4 +

1

8l

-

22

,

6

~

=

-2~150.0

00

kcal/uur.

~dauwpunt = 57,b ~)

Reac tie: Lltl_h ..35

"

c

=

!!~

l

-

115

.

200) = - 40. 30C kcal/uur.

Verd~nning: AH = 1,4 (- 7440) = -10.400 kcal/u~r.

Totaal ~Hkoeler I = - 3.068.000 kcal/uur.

De koeling gebeurt met koelwater dat stijgt van 28 - 35~.

Benodigd koelwater: 3.068.000/7000 = 440 m3/uur.

Ll'l'lm= 38,b O. U = 400 kcal/uur m2 ·C.

Oppervlak koeler I: A= ~~Q~~~2QQ = 200 m 2 •

38,0. 400

Qo~p;~:e~s~r~

Aangenomen wordt d(}t het drukverval tot aan de compressor

\

- 27

-Voor de warmte-ontwil~keling t .g.v. adiabatische compressie geldt:

Q =

K~I

n. R.

Tl.

[

(

-

~

~

)~il:

- 1] Clit.20)

C

k

=

OE

=

1,4 v

n = aantal molen samen te persen gas = 1084,2 kgmol/uur.

R

=

g"jsconstante

=

2 kcal/kgmol ·C. '1'1

=

begintemperatuur

=

308 ·K.

Q = -1.055.000 kcal/uur.

Voor het adiabatisch rendement is aangenomen: 75

%

.

AH =

~Q~\

-

1.055

.

000)=-1.410.000

kcal/uur

compressor 75

1084,2 kgmol gas/uur worden ver.üit Van 35 - 150 ·C:

AH = 1048,2. 7. 115 = 823.000 kcal/uur.

Door i nspuiten van water dus af te vcberen: 68'1.000 kcal/uur.

Het in6espoten water verdampt. AH = 11,300 kcal/kgmol lilO

I n te spuiten: 687.000/11.300

=

60,7 kgmol H,t0/uur.= 1100 kg/uur.

-

3

Maximaal vermogen electromoter: Pmax

=

1.410.000. 1,162 10

=

1650 kW.

~xEags~e=t~r~i~e~

Voor llet drukverval over het oxydatie-absorptie-systeem is 0,2 atm.

aangenomen. In de turbine expandeert 806 ksmol/uur .

-, . d' P2 1

Dxpansle-verhou lng: --

=

=

0,26. Begintemperatuur: Tl

3,8

PI

Analoog als bij de compressor berek~nd:

Qadiabatisch

=

-b85.000 kcal/uur.

Nemen we weer een adiabatisch rendement van 75 jb aan dan

vermogen Van de expansie-turoine:

-3

P = 685.000. 0,75. 1,162. 10

=

600 kW.

Warmtewisselaar.

806 kgmol afgewerkt gas/uur opwarmen van 33 - 110 ·C.

h H = 806. 7. 77 ~ 423.000 kcal/uur.

Hierdoor koelen 1145,5 kgmol gas uit de compressor/uur af:

423.000

f:j T = --- = 53 ·C, dus van 150 - 97 ·C.

1145,5. 7

Ó T1m = jO ·C. U ~ 17 kcal/uur

Oppervlakte warmtewisselaar: A

2

.

c

m • 423.000 = ---

=

50. 17 500 m 2 • =

383

·

K.

- 28

-Koeler 11.

Op gelijke wijze als koeler I berekend:

LlHkoeler 11

=

-1.662.000 kcal/uur.

Benodigd koelwater: 240 m3/uur.

• / 2 •

A_Tlm

=

39 C. U

=

400 kcal uur m C. 2 Oppervlakte koeler 11: A

=

107 m • Qxld~t!e=aÈs~rEt!e=sls!e~m~

De berekening voor ieder compartiment is identiek. Een

voor-beeld wordt gegeven van compartiment I-C. De uitkomsten volgen

dan in tabelvorm.

~~~p~r!i~e~t_I:C~

Afkoeling van het gas van 50 - 40 ~.

ó H

=

(851,9. 7 + 11,4. 8 + 21,2. 149,4 + 60,3. 74,5)(-10)

=

-137.000 kcal/uur.

Condensatie van 4,5 kgmol waterdamp/uur.

ó H

=

4,5 (-10.250)

=

-46.000 kcal/uur. Reacties: oXjldatie: Arll{

=

17,6 ( -25.200)

=

-222.000 40:C

-2--absorptie: _{ABR 40 ·C}

₌

_-3--

51,9 (-19.900)

₌

-344.000 dedimerisatie:Óh R 40

"

c

=

4,5. 13.800

=

62.000

Verdunning 34,6 kgmol 100% HNO _:3 tot _55% .i:-JN03 /uur.

AH

=

34,6 (-5.600)

=

-194.000 kcal/uur.

Concentrering 96,0 kgmol 45;;; tot 55% ri...N0₃ /uur.

ód

=

96,0. 700

=

6/.000 kcal/uur.

Totaal ~H _compartlment . I ... C

=

-814.000 kcal/uur.

kcal/uur

,

,

, ,

Deze worden afgevoerd door circulerend 55% HNO.j dat stijgt van

35 - ~40 ·C. In de zuurkoe Iers wordt dit circulerend zuur met

koelwater gekoeld dat hierbij maximaal

~

I

r

lm =:6 ·C.

u

=

1300 kc al/uur m2 ·C.

814.000 Oppervlak zuurkoelers: A

=

--- =

1300. 6 Oppervlak een koelelement is 6 m 2 dus

een oppervlak hebben van 108 m 2

.

II '11

A

B

814.000 5,8 ·C. - ----

=

---

=

lm A. U 108. 1300 stijgt van 28 - 35~. 105 m 2 •

compar -timent I I-A+I-B

I-O

1 1-D II-A I II-.b 11-C II-D . III-À _. 111-B

.

IV-A IV-B V . - 29

-De temperatuur van het circulerende zuur stijgt dus van

35 - 39 , 6 •0, " . . ous ronopompen: ---814.000 --

=

210 m 3 55°1 ~

4,6. 1,31. 645

HN~ luur.

De temperatuur van het koelwater stijgt van a8 - 35

"c,

dus

zuurkoelers van compartiment 1-0 besproeien met;

814.000 3

---

---

=

116 m koelwater/uur.

7000

aantal koel- circulerend zuur koelwater

A H koelele- opp. •

_m1~

_mo/~

kcal/uur menten

m

2

temp. C temp.

°c

- 1.790.000 17 102 40 - 50 213 28 - 35 256 -814.000 18 108 35 - 39,6 210 28 - :35 116 -555.000 12 72 35 - 39,8 138 28 - 35 80 - 530.000 11 66 35 - 40,4 117 28 - 35 76 -293.000 6 36 35 - 40,0 60 28 - 35 42 -163.000 4 24 ₃₅ - 38,4 53 28 - 35 23 -124.000 3 18 35 - 38,6 36,7 28 _{- 35} 17,7 -81.600 2 12 35 - 38,4 25,4 28 - 35 11,7 -77.500 2 12 34 - 37 27 28 - 33 15,5 -54.000 2 12 32 - 34 28 28 - 31 18 ":'15.200 1 6 31 - 31,8 19,4 28 - 30,5 5,5 -28.000 1 6 32 - 33,5 19 28 - 30,3 12,2 I

I~

~~j~~_~~g_~EE~~~~~~ Stoffilter:

- 30

-'.type: Viscin-luchtfilter.

drukverval: 0,01 atm.

afmetingen: 1600 mm hoog, breed en lang.

Wastoren: hoog: diameter: 5000 mm 2500 mm waswater: 16,8 m3/uur drukverval: 0,01 atm.

pakking: 2 in. Haschig- materiaal: staal.

ringen.

hoogte pakking: 3000 mrn

Luchtverhitter: Warmtewisselaar met in gegolfd plaat geklemde

pijpen, waarin stoom condenseert. hoogte: breedte: lengte: Ejecteur: lengte: diameter: 1300 mm 2000 mrn 780 mm 3500 mm 1000 mm materiaal: staal. materiaal: staal.

Filters: 3 kasten met 400 fi10erkaarsen van keramisch materiaal per kast.

kast hoogte: 1500 mm filterkaars,

diameter: 2000 mm ui twendige diameter: 60mm

materiaal: aluminium. inwendige diameter: 40 mm totaal filteroppervlak: 224 m

3

lengte: 1000 mm drukverval: 0,007 atm.

Verder is de gehele apparatuur van chroom-nikkel-staal (18/8).

Convertor: kegel met warmte-isolerend materiaal bekleed. max. diamet er: 2800 mm

La Mon~~ketelelement: rechthoekige kast met warmte-isolerend materiaal bekleed. hoogte: breedte: diepte: 7000 mrn 3500 rnrn 2000 mrn

pijpen, diameter: 1 in. materiaal: staal.

---

---L

- 31

-Koeler I en 11; recht~oekige kast met verticale pijpen waardoor het koelwater stoomt.

koeler I, lengte: 2000 mm koelerII, lengte:

breedte: 15JO mm breedte:

hoogte: i1600 mm lengte pijpen: 1500 mm diameter pijpen: 1 in. aantal pijpen: o l)pervlak: Warmtewisselaar. lengte: 6500 mm diameter: 1400 mm lengte pijpen: 6000 mm

diameter pijpen: 1 in. aantal pijpen: oppervlak: 960 500 m2 Oxydatie-absorptie-torens. hoogte: 20.000 mm diameter 2.200 mm 1670 2 ~OO m- -hoogte: lengte pij;pen: diameter pijpen: aantal pijpen:

oppervlak:

pakking: 2 i n. Raschigringen van keramisch materiaal.

Zuurkoelers: type: hoogte: breedte: platenkoeler 3000 mm 1000 mmo

Voorraad-tanks voor de zuurpompen: inhoud: 0,5 m

3

hoogte: 1250 mm diameter: 700 mm Scrubber: hoogte: 6600 mm diameter: 800 mm lbOO mm 1200 mm 1300 mm 1200 mm 1 in. 1040 107 m?

pakking: _{2 in. haschigringen van keramisch materiaal.} hoogte pakking: 5000 mmo

(

- 32

-LITTERATUURLIJST.

1. M.D. Barnes, Encyclopedia of Chemical Technology, IX: 330,(1952)

2. Winnacker - Küchler, Anorganische Technologie 11: 222,(1959).

3 ~/ Zeisberg , Met. Gh~m. Eng.:

1.2,

299, (1916).

4. /F'auser, Chemie et Industrie: 20, No.3, 414, (1928).

5 • , , , , , , , , .Q, 556 , (1931 ) •

6.t _{rraylor, Ind. Eng. Chem.:} Q, _{860, (1931).}

7.', Strelzoff, Chem. Eng.: 22,171, (1956).

8. p.J. Hoftijzer, Chemiscn Weekblad: ,2, 71, (1956).

9. rlorjeskow, Journ. of appl. chem. U.S.S.R.: ~, 163, (1932).

10. Anoniem, Chem. Eng.:

§2,

56, (1958).

11. D.R.P. 567.603,(1928).

12. Jansen, Chemisch Weekblad: ~, 61, (1956).

13. Bodenstein, Z. Electrochem.: 24,183,(1918).

14. Perktold, Angew. Chem.: B20, 331, (1948).

15. Ned. ~t, 68.143,(1951).

16. F.M. ieichert, De Ingenieur: 41, Ch.61, (1956).

17. D.R.P. 806.846, (1949).

18. Hougen e. a., Chemical Process Principles. J -\-".

19. Berthe1ot, Génie Civil:

112-,

381, (1939).

20. Perry, Chemical Engineers' Handbook.