Verslag behorende bij het fabrieksschema phosphorzuurfabriek

I~

,"

I .

:

..

Delft, Maart 195~. I , ~. ' IJ

VERSLAG BEHORENDE BIJ HET FABRIEKSSCHEMA

(PHOSPHORZUURFABRIEK)

INDELING.

Literatuurlijst Inleiding

Gevolgde methode

Beschrijving van het proces Apparatuur- en materiaalkeuze Regelapparatuur

Stof- en warmtebalans A. Stbfbalans

B. Warmtebalans

Berekening van twee apparaten 1. vlarmtewisselaar 2. Cascadekoeler blz. 1 2 4 4 8 10 11 11

13

16 16 19 P. Schenk

24-Aan't Verlaat, Delft J.A. van der Ploèg

. ; I Caspar Fagelstraat 64, Delft. " i .' \'

..

: : \

~#

LITTERATUUR. 1. 2.

3.

4.

5. 6 •

7.

8. 9.

Ind. Eng. Chem •. ~ (1950) 1616

L. D. Yates, Ind. Eng. Chem.

!2

(1953) 681 C.

H.

Aa11, Ind. Eng. Chem.

i1

(1952) 1520 C. H. Aa11, Chem. Ind. (1950) 830 - 840

J. R. Ca11aham, Chem. Eng. ~ (1951) No. 4, 102 - 6.

L. H. A1mond en H. K. Steinbiss, Chem. Eng •

.22

(1948) No. 9, 105-9 Weber, Shafor en Roberts, Dorr strong acid Process U.S. Patent

2049032 Chem.

&

Met. Eng., Jan. 1934 .

Curtis, MilIer en Newton, Chem~-& Met. Eng.

12

(1938) 193 !§ (1939) 269

10. Kirk-Othmer "Encyc1opedia of Chemica1 Techno1og~", 10 (1953) 403 e.v. 1-,1. D. Q. Kern, "Process Heat Transfer" (1950) 727 e. v.

·'

:

rl.)

-2-INLEIDING"

Er zijn twee principieel van elkaar verschillende techni-sche bereidingswij zen va.n het orthophosphorzuur H3P04'

Ie. Het oudste proces(litt. 7 en 8) is het zg. uv/et process", waarbij wordt uitgegaan van phosphoriet ( of phosphaat ) en verdund zwavelzuur. De reactie die hieraan ten grondslag ligt~

luid t:

·Ca

3(P04)2 + 3H2S04 oP 6·H20 ~ 2 H3P04 + 3 (CaS04.2H20) Door filtreren kan het gevormde gips worden afgescheiden. Het

gevormde zuur, ca. 40 %-ig phosphorzuur, moet voor gebruik meestal worden ingedampt tot 70 % st~rkte.

Deze methode vindt alleen nog toepassing in de kunstmest-industrie, waar niet de noodzakelijkheid bestaat een chemisch zuiver zuur te bereiden. Voor de industrie der voedingsmidde-. len en de bereiding van chemisch zuivere phosphaatderivaten

is dit wel vereist en een omstandig en dientengevolge kost-baar zuiveren, moet op de bereiding van het ruwe zuur volgen. Het volgens de zwavelzuurmethode bereide zuur bevat immers bijna alle componenten uit de phosphaat, waarvan sommige z~lfs

giftig zijn, zoals lood en arseen. De nadelen zijn dan ook: kostbare zuivering en vorming van verdund zuur.

2e. Moderner is de bereidingswijze, die uitgaat van phospho-riet, zand en cokes. Deze drie stoffen worden in een bepaalde verhouding, hetzij in een electrische, hetzij in een smeltoven,· verhit op l400°C. Hierbij speelt zich de voiligende reactie af:

2 ca

3(P04)2 + 6 Si02 + 10 C ~ P4+ 10 CO .... 6 CaSi03 De gassen uit de oven, welke hoofdzakelijk CO en phosphor-~ dampen bevatten, kunnen op twee verschillende wijzen verw~t

worden. Sommig~edrijven verbranden de phosphor direct na de oven tot P₂0

5 (litt.

90,

andere koelen de ga~sen waarbij phos-phor vlo~baar wordt, en transperteren de vloeibare phosphor naar een aparte verbrandingseenheid (litt. 3,4,5 en 6).

Bezwaren van de directe methode zijn:

.-.. S>

wordt met de phosphor verbrand~en kan niet meer als energiebron dienen;

b.Het aldus geproduceerde zuur moet nog gezuiverd worden. Bij de tweede methode (de z.g. tweetrapsmethode) vervallen deze bezwaren; een omvangrijke apparatuur is echter noodzake-lijk.

De locale markt is eveneens van grote invloed op de keuze van proces. Vindt de afzet hoofdzakelijk pp de locale markt plaats, dan past men de directe methode toe; is men daarentegen hoofd-zakelijk aangewezen op verafgelegen afzetgebieden dan is men meer op de methode via de elementaire phosphor gesteld. Het is n.l. economischer om vloeibare phosphor te vervoeren dan het phos-phorzuur, zodat de tweede trap van het proces ter plaats'e kan worden uitgevoerd. (zie litt.

3).

Voor alle ovenprocessen geldt dat de energiefactor zeer be-langrijk is; energie maakt ongeveer 30 tot 40 procent van de to-tale productiekosten uit. Tekenend hiervoor is het feit, dat de eerste phosphorzuurfabriek in de Verenigde Staten van Amerika van de Oldbury Electrochemical Co. gebouwd werd vlak bij de Niagarawatervallen, en zodoende verzekerd was van goedkope elec-trische energie.

Tot besluit van deze inleiding willen wij wijzen op een nieuw, reeds op semitechnisbbe schaal

~proces.

Men laat hierbij elementaire phosphor met stoom

p 4 + 16 H₂0 ~ 4 H 3PO 4 + 10 H2 reageren: (1300 oF, katalysator pyrophosphaat).

zircoon-De energie, welke vrijkomt bij de oxydatie van de phosphor, wordt hier als het ware vastgelegd in het waardevolle bijpro-duct waterstof (litt. 1) •

•

-4-GEVOLGDE METHODE.

Gevolgd werd het proces waarbij in een electrische oven uit de grondstoffen phosphoriet, zand en cokes P4 wordt bereid. Na condensatie van de laatste stof wordt deze geoxydeerd met lucht tot P

205, waarna dit met water wordt omgezet in H3P04•

Bij de motivering van de keuze van dit proces moet voorop-staan dat goedkope electrische energie aa~wezig is, hetgeen wij willen veronderstellen. In dat geval is het zeket de meest eco-nomische bereidingswijze, aangezien direct een zuiver zuur van hoge concentratie bereid kan worden.

Teneinde het bedrijf enige flexibiliteit te verlenen is de

cop-densatiet~ap ingevoerd, bovendien heeft deze een gunstige invloed op de zuiverheid van het zuus (zie inleiding)'en biedt tevens warmteëconomische voordelen, gezien het feit dat het

CO-houden-«

deóoff-gas gebruikt kan worden voor het stoken van de drogers •

BESCHRIJVING yAN HET PROCES.

Van de grondstoffen (deze worden gegranuleerd verondersteld) phosphoriet, cokes en zand, moeten de eerste twee voor het in-brengen in de electrische oven worden gedroogd, en wel om twee redenen:

a.Plotselinge stoomontwikkeling in de oven heeft uitdrijving van stof tengevolge en qit overbelasting van get Cottrellappa-raat.

b.Electrische energie is te duur om voor droging van een grote hoeveelheid materiaal te worden aangewend.

Na het drogen (op de tekening is slechts de phosphorietdroger te zien) wordt het materiaal opgeslagen in silo's (de zandsilo . is op de tekening niet te zien) vanwaar zij in juiste

verhou-ding gemengd, naar de oven worden getransporteerd, het trans-port geschiedt met kipkarren.

De voeding van de oven vanuit de voorraadbunkers geschiedt continu via een achttal valpijpen, waarmee bereikt wordt dat de voeding gelijkmatig over de ovenoppervlakte wordt verdeeld. • De oven is een driephasige electrische oven met een vermogen

;

van 10.000 kW (zie later), welke in staat wordt geacht een reac-tietemperatuur van 1400 oe te kunnen onderhouden.

In de oven zijn van boven naar bede den vier zenes te onder-scheiden, te weten:

1.Nog niet omgezette voeding 2.Reactiezene

3.Vloeibare slak

4.Vloeibare ferrophosphorus.

Hiermee rekening houdend is het dan ook noodzakelijk de aftap van ferrophophorus lager te plaatsen dan die van de slak. Dit

aftappen geschiedt chargegewijs. .

7

De slakken kunnen gebruikt worden voor wegverharding en.de

~~oiï

. ferrophosphorus vindt toepassing in de staalindustrie.

~I

De gassen, die uit de oven ontwijk~1aan uit P4' CO en

S~F4

en zijn beladen met

~~~g

stof. Zij stromen door de koude voeding en warme /deze voor, hierbij een groot deel van hun warmte end. In een Cottrellapparaat, achter de oven geplaatst, w t het stof afgescheiden. Dit stof kan, vanwege het

hO~20 gehalte, dienen als meststof.

In de hierna geprojecteerde phosphorcondensor wordt de phos-· phordamp ,geCOndenseerd. Men moet zorg dragen voor een goede tem-peratuurFcontrele, aangezien phosphor bij 44,1

°c

in vaste vorm overgaat. Het mengsel van phosphor en water vloeit onder uit de condensor in een bezinkput, hier bezinkt de phosphor daar hij niet mengbaar is met vla ter. Teneinde zekerheid te hebben dat geen phosphor mee overloopt en zodoende omtsnapt, is na de .bèzifikpût nog een overloop geplaatst,vanwaar uit het water, na

afkoelen in een warmtewisselaar,in een wachttank wordt gepompt. De kringloop van het \va ter wordt voltooid door het in de phos-phorcondensor weer te versproeien.

Het CO uit de condensor wordt in een cycloon gezuiverd van druppeltjes water en vloeibare phosphor, welke naar de vergaar-bak onder in de condensortoren terugvloeien.

Net de exhauster, aangesloten op de cycloon,is naar believen _,.. een lichte onder- of overdruk te bewerkstelligen in de gehele .tot dusver behandelde apparatuur.

:

-6-Het in de phosphoriet aanwezige fluor wordt in de oven in SiF 4 omgezet. In de condensor treedt ontleding op volgens de reac-tie :

3 SiF 4 + 2 H₂0 ~ Si0₂ + 2 H₂SiF₆

Het gevormde zuu~ werkt corroderend en moet geneutraliseerd worden, hetgeen in de wachttank geschiedt door toevoeging van

soda :

H₂SiF 6 + _{2 Na2C03} ~ Na₂SiF 6 + 2 NaHC0 3 Om te voorkomen, dat men door accumulatie van Na

2SiF

6

en

Si0

2 hinder zou krijgen in het phosphorcondenssysteem wordt continu water ververst. De afvoer vindt voor de warmtewisselaar plaats. De vloeibare phosphor wordt vervolgens naar een van de twee phosphormeettanks verpompt, welke daarvoor in aanmer-king komt. Deze meettamk werkt als montejus dwz. het phosphor wordt eruit verdrongen door warm ''later, dat met constant ge-houden debiet uit een warmwater-tank wordt betrokken. Als de ene .meettank geen vloeibare phosphor meer bevat, wordt op de andere, die intussen weer is gevuld, overgeschakeld.(zie lei-dingen en afsluiters op de tekening).

Alle tanks kunnen met stoom verwarmd worden om te voorkomen dat de phosphor vast wordt. De pomp welke de phosphoevoeding regelt is een verdringerpomp, die dus met een termgslagklep beveiligd dient te worden. Op een rotameter is de phosphor-voeding af te lezen.

In de verbrandingskamer wordt de phosphor met behulp van hogedruklucht verstoven e~ tot P205 geoxydeerd. Niet alle be-nodigde zuurstof wordt in de vorm van hogedruklucht toegevoerd. Het overgrote deel (ca. 95%) wordt als secundaire lucht met een blower in de verbrandingskamer gebracht. Overmaat luch.t (25%) is voor de oxydatie nodig.

De productgassen (P₂0

5, N2 en 02) worden gekoeld in een gfa-fiet-(karbate)koeler. Sproeiers in de koeler zorgen .er voor dat de pijpen schoon blijven,hetgeen voor een goede warmteover-dracht vereist is. Dit brengt met zich mede, dat P205 reeds ge-deeltelijk wordt gehydrateerd; de reactiewarmte die vrijkomt

;

i

-

. .

moet dus tevens worden afgevoerd. Het proces wordt vervolgens voltooid in de hydrator waarin m.b.v. sproeiers het benodigde proceswater wordt ingebracht.

Aangezien zowel ,bij de verbranding van phosphor als bij de vorming van phosphorzuur uit P205 een grote hoeveelheid warmte vrijkomt, moeten speciale maatregelen worden getroffen om deze af te voeren. De verbrandingskamer, grafietkoeler en hydra tor worden van buiten gekoeld m.b.v. een

valle~'film

koelwater, terwijl bovendien het 85 1~ige phosphorzuur in de hydrator via een tiental regenkoelers (met karbate pijpen) gekoeld en weer in de hydrator versproeid wordt. Deze circulatie is con-stant, alles wat zich meer onder in.'de hydrator verzamelt (gecontroleerd met een niveauregelaar) wordt als product afge-voerd. Na de hydrator is een cottrèllapparaat geprojecteerd om het off-gas van druppeltjes p~osphor~uur te zuiveren.

Het product wordt vervolgens opgeslagen in een gedeeltelijk ondergrondse tank.

-s-APPARÁTUUR- EN MATERIAALKEUZE.

De drogers voor phosphoriet en cokes zijn roteremde drogers, waar warme lucht in tegenstroom doorgeleid kan worden. De leng-te is 12 m., de diameleng-ter 1,25 m. De silo's, waarin de grond-stoffen zijn opgeslagen, zijn 10 m. hoog en hebben een zijde van 4 m. (ze zijn vierkant van doorsnede).

De electrische oven is voorzien van gràfiet electroden. Hij is van binnen bekleed met vuurvaste steen, aan de onderzijde kunnen slak en ferrophosphor worden afgetapt. De diameter is 10 m. en de hoogte 5 m. De voeding gesèhiedt continu.

Het Cottrellapparaat achter de oven heeft een diameter van 2,5 m. en een hoogte van 6 m.

De phosphorcondensor (hoogte.7 m. en diameter 2,5 m.) is van staal vervaardigd. Ook de cycloon i~ van dit materiaal.

De bezinkput waarin vloeibare phosphor onder water wordt op-gevangen, is van zuurvaste steen. De warmtewisselaar, die het rondgepompte koelwater koelt, is een four-pass warmtewisselaar voorzien va 100 3/S-in. stalen pijpen van S m. lang. De meet-··tanks voor phosphor zijn stalen tanks van 10 m3 inhoud. De pomp

die het warme water rondpompt is een Milton Roy pomp met een werkdruk van 50 lb./sq.in., een vermogen van

t

P.K. en maakt

99

omwentelingen per minuut.

De verbrandingskamer moet veel reactiewarmte kunnen afvoeren en is daarom voorzien van een wand van grafietblokken. Aange-zien grafiet niet hoger verhit mag worden dan 300

°c

~oet inten-sief worden gekoeld. Dit gebeurt nu door een waterfilm langs de buitenzi'jde van de toren te laten lopen. Het gebruik van gra-fiet heeft bovendien het voordeel dat het cor~osiebestendig is, onder de heersende omstandigheden. Hoogte van de toren is 10 meter, di~meter 3,40 m.

De grafietkoeler is zoals de naam reeds zegt, voorzien van karbate pijpen, waardoor koelwater wordt gepompt. Om extra goe-de koeling te verkrijgen en ter bescherming van goe-de karbate koe-.lerwand, wordt hij tevens nog aan de buitenzijde van een

water-film voorzien. Hij bevat 150 1 in. pijpen, lengte 2 m., de breedte en hoogte van de omgevende kast zijn resp. 1,5 en 1 m.

De'hydrator is een stalen toren, aan de ài~zijde voorzien van een grafietwand van 4t in. dikte. Hier vindt een grote ont-wikkeling van reactiewarmte plaats, welke warmte moet worden afgevoerd. Aan de buitenzijde loopt een waterfilm, aan de bin-nenzijde een phosphorzuurfilm doordat 85 %-ig phosphorzuur wordt rondgepompt en gekoeld, en vervolgens in de toren ver-sproeide Koeling geschiedt met cascadekoelers ( 10 in getal ) voorzien van karbate pijpen van lt in. Afmeting hydra tor: hoogte 7 m, diameter 2t m. Afmetingen cascadekoelers: hoogte

2,20 m , breedte 5,5 m.

De opslagtank van phosphorzuur is van binnen bekleed met zuurvaste steen om het zuur van 85

%

concentratie te kunnen bevatten. De diameter is ~ m, de hoo~te 3 m. Ruim een dagpro-ductie kan worden opgeslagen. De pijpleiding die de hydrator met d~ tank verbindt is van speciaal staal vervaardigd, evenals de leiding van het rondgepompte phosphorzuur. Ook de pomp is van'zuurbestendig staal (bijv. hastelloy of 18-8 Cr-Ni-staal). Overige leidingen en pompen komen niet met corrosieve vloei-stoffen in aanraking en zijn~dus van normale staalsoorten.

Het tweede Cottrellapparaat tenslotte heeft een hoogte van 2t m.en diameter lt m.

'.

-10-REGELAPPARATUUR.

Om een goede werking van de apparatuur te verkrijgen, z1Jn op verschillende plaatsen automatische regelaars

aangebracg~, in het schema uitsluitend voor

niveau,tempe-ratuur en debiet.

Niveauregelaars z1Jn geprojecteerd voor:

phosphorcondensor, wachttank voor koelwater van de phos-phorcondensor, bezinkput van de phosphor, phosphormeet-tanks en hydra tor.

Temperatuursregelaars voor:

verwarming van phosphorbezinkput, phosphormeettanks en warmwatertank, zodanig dat de afsluiter van de stoomtoe-voer reageert op de temperatuur.

Debietregelaars voor: afvoer va~ de Na

2SiF

6

-oplessing,rondpompen van het warme

water in de phosphormeettanks en voor de recirculatie van het phosphorzuur in de hydra tor.

De regeling bij de phosphormeettanks is zodanig aange-bracht, dat overschakeling van de lege op de volle tank automatisch geschiedt door het openen en sluiten van de daarvoor in aanmerking komende afsluiters. Tevens is een

ro~ameter in de warmwaterleiding opgenomen, welke is

ge-koppeld met de toevoer van secundaire lucht in de verbran-dingskamer. Hierdoor kan worden bereikt dat de verhouding

tussen lucht en phosphor in deze ruimte constant blijft, aangezien de hoeveelheid ingebrachte phosphor is verdreven door het warme water.

-.

.

.

STOF-EN WARMTEBALANS.

h

Stofbalans.

Wij veronderstellen uit te gaan van phosphoriet met samen-stelling (gewichtsprocenten):

75

%

Ca

3(P04)2 23,8

%

Si0

2,CaO,A1203 etc. (Si02 meer.dan 7

%)

0,2

%

F

1,0

%

Fe

Wij verwerken 100 ton per dag van dit materiaa1.Het wordt omgezet met zand (100

%

Si0

2) en cokes (100 %)C).

~. Reactie in de oven. 2 Ca

3(P04)2 + 6 Si02 T 10 C ~ P4+ 10 CO + 6 CaSi03

Benodigd zijn dan voor deze reactie:

~ 0,75 x 100 x 1/310,2 x 6/2 x 60"" 43,55 ton per dag Si0 2" 0,75 x 100 x 1/310,2 x 10/2 x 122 14,50 ton per dag C • Gevormd wordt:

. 0,75 x 100 x 1/310,2 x

t

x 124 = 15 ton per dag P 4

0,75 x 100 x 1/316,2 x 6/2 x 116,1= 84,3 ton per dag CaSL0₃•

Ferrophosphor wordt gevormd volgens de vergelijking:

3 F~+ ~ ~ Fe

3P.

Er wordt dan aan phosphor verbruikt:

0,01 x 100 x 1/55,8 x.l/3 x 31- 0,19 ton per dag.

Gevormd wordt 0,01 x 100 x 1/55,8 x 1/3 x 167,4=1,00 ton per dag Fe

3P. Het fluor wordt omgezet volgens de vergelijking:

. Si0

2 + 2 C + 4 F ~ SiF 4 + 2 CO. Hiervoor is nodig:

0,092 x 100 x 1/19 x

t

x 12= 0,063 ton per dag C 0,002 x 100 x 1/19 x

t

_{x 60= 0,158 ton per dag Si02•}

Gevormd wordt 0,002 x 100 x 1/19 x

t

x 104=0,274 ton per dag SiF 4• 0,002 x 100 x 1/19 x 2/4 x 28=0,147 ton per dag CO.

:

-12-phosphoriet: zand: cokes = 1,0: 0,38.: 0,20.

Benodigd: 0,38 x 100 = 38 ton per\dag zand . 0,20 x 100 = 20 ton per dag cokes. Samen geeft dit een voeding van 158 ton per dag.

Uit de electrische oven komt: P

4 15 - 0,19 = 14,81 ton per dag. CO 33,90 - 0,147=34,05 ton per dag. SiF

4 0,247 ton per dag. FeiP 1,00 ton per dag.

Stof aangenomen op 0,5 ton per dag.

Slakken: 0,238 x 100 ... 38+20 - (43,55+ 0,158+ 14,5+ 0,063i' 0,5)+

~ 84,3

=

107,33 ton per dag.

:2.

Voor de verbrandingskamer geldt: Reactie: P

4 + 5 02 -.2 P205• Hoèveelheid P

205: 14,81 x 1/4 x 31 x 2x 142

=

33,95 ton per dag. Voor de verbranding van de phosphor wordt 25% luchtovermaat

gebruikt. Nodig aan zuurstof:

14,81 x 1/(4 x 31) x 5 x 32 x 1,25 ~ 24 ton per dag. Hiermee kom~ tevens 84 ton per dag N

2 binnen. Primaire 1u"cht: 5 vol%;I 4,2 x 103 nm3 per dag, secundaire lucht: 79,6 x 103 nm3 per dag.

3. Voor phosphorcondenssysteem geldt: SiF

4 wordt met soda en water omgezet volgens de reactie: 3 SiF 4

+

_{2 H20}

+

_Na2C03 ~ Si~2;

+

_{2 Na 2SiF 6}

+

_{4 NaHC0 3}

Nodig is voor deze reactie 0,372 ton per dag Na₂C0

3, gevormd wordt 0,053 ton per dag Si0

2 en 0,33 ton per dag Na2SiF6• Laten wij een concentratie in het koelwater van de phosphor-condensor toe van 1 g/100 cm3 , dan moet ververst worden 33 ton per dag. De concentratie van het Si0₂ is dan 0,16 g/lOO cm3• 4. Voor de hydrator en grafietkoeler geldt:

Reactie:

P205

+

'3

H20 ~ 2 H

3P04• :Hoeveelheïd H

3P04 100% is dan:

33,95 x 1/142 x 2 x 98

=

46,85 ton per dag. Aan H

3P04 85% ontstaat dan 55,1 ton per ~ag.

B. Warmte balans.

1.

Voor de electrische ~:

De ontwijkende gassen worden verondersteld de koude voeding voor te warmen. De voeding komt binnen met een temperatuur van 20 oe, de gassen koelen af van 1400 oe tot 350 oe. Uit de waarden van de soortelijke warmten van de verschillende stof-fen berekenen wij dan dat de voeding wordt voorgewarmd tot 480 oe. De soortelijke warmten zijn:

phosphoriet: 0,22 kcal/kg. oe cokes: 0,403 11

zand: 0,19

_"

CO: 0,31

_"

phosphordamp: 0,44 11

Voor de verwarming van de voeding tot 1400 oe is nodig: (1400 480) x 37.27

=

21,8 kcal/kg. Dit vraagt een

vermo-158 gen van 167 kW.

De reactiewarmte bij 18 oe kan gevonden worden uit de vor-mingswarmten van de aan de reactie deelnemende stoffen. Wij willen veronderstellen dat de reactiewarmte bij 1400 oe hieraan gelijk is.

Voor de vormingswarmten van de reagerende stoffen vindt men: ea

3(P04)2 4110 kJ/mol. Si0

2 830 11 CO 110,6 11

Reactiewarmte per mol. ea

3(P04)2 i~ dan -2261,0 kJ/mol. Uit de hoeveelheid voeding berekent men dan het benodigd ver-mogen: 6340 kW.

Voor de overvoering van vaste phosphor in damp moet toege-. voerd worden:

12,52/31 x'103 x 14,81 x 103 x 1/(24 x 3600) x 4,2

+

+

0,615/31 x 103 x 14,81 x 103 x 1/(24 x 3600) x 4,2

=

292

+

14,3

=

30~,3kW.

Smeltwarmte Phosphor is 0,615 kcal/mol en verdampingswarmte is 12,52 kcal/mol.

De smeltwarmte van de slak is te stellen op 100 kcal/kg. Voor het smelten van de slak is dan nodig een vermogen van ca. 670 kW.

r o

-14-In totaal is het vermogen van de oven dan 6340 + 167 + 306 + 670 ~

ca 7500 kW. In aanmerking genomen de stralingsverliezen en

het rendement van de oven is als benodigd vermogen aan te nemen 10.000 kW.

2. Phosphorcondensor. Afgestane warmte:

Afkoeling phosphordamp van 300 tot 280

°c

Condensatiewarmte phosphor 14,8.106 x 12.52

176.103 kcal/d. Afkoeling phosphor tot 60

°c

31

14,8.103 x 6,6/31 x (280-60)

Afkoeling CO van 300

°c

tot 55

°c

3

35,4.10 x 0,31 x 245 Opgenomen warmte:

Verdampend water

Op te nemen warmte door koelwater

Totaal :: 5980.103

=

622. 103 6851.103

=

26

2

0 .103 9541.10 3 12:20.103 7611.103 o

Stellen wij de koelwatertemperatuur op 20 C, en ?pwarming tot 60

°c

in de condensor, dan is nodig een hoeveelheid van

7611.10 3/(60-20) x 10-3 ;;: 190,3 ton per dag. (c water is p 1 kcal/kg °C). 11 11 i' 11 11 11

"

Er verdampt uit de condensor 3,4 ton water per dag, de tota-le hoeveelheid proceswater die gesupptota-leerd moet worden is dus 33 + 3,4 =36,4 ton per dag.

3. Verbrandingskamer.

De reactiewarmte wordt afgevoerd door een waterfilm langs de buitenzijde van de toren. Het verloop van de wand tempera-tuur dls niet bekend, een berekening van de hoeveelheid beno-digd koelwater is dus niet uit te voeren. De hoeveelheid reac-tiewarmte is 14,81/62 x 106 x 369,4

=

88,3 x 106 kcal per dag. 4. De hydra tor.

De reactiewarmte voor de omzetting van P

205 in H3P04 bedraagt 2 P

205

+

3 H20 -+ 2 H3P04 + 2 x 1381,0 kcal.

worden afgevoerd:

6 6

46,85 x 10 x 1/98 x 1281 x 1/4,186

=

146,5 x 10 kcal per dag. Gassen komen de hydra tor met een temperatuur van 230

°c

o

binnen en verlaten hem met een temperatuur van 80 C. Langs de buitenzijde ,van de toren loopt een waterfilm, langs de bin-nenzijde een film van 85% H_{3P0 4•}

Er moet ·voor afkoeling van de gassen en sublimatie van het

6

P

205 nog worden afgevoerd 24,6 x 10 kcal per dag, totaal dus (146,5 + 24,6) x 106

-=

171,6 kcal per dag. Stellen wij de warm-te die vrijkomt bij verdunning van 100% tot 85% H_{3P0 4 op 1,2.10} 6 kcal per dag, dan moet in grafietkoeler en hydrator in totaal

6

172,3 x 10 kcal per dag worden afgevoerd.

Een globale berekening leert, dat deze hoeveelheid onmogelijk in de hydrator kan worden verwerkt, indien geen extra koeling wordt toegepast. Dit kan geschieden door het gevormde 85% H

3P04 te koelen en opnieuw in te spuiten. Hiervoor kan geen water worden gebruikt, aangezien het zuur dan te verdund wordt.

, . 6

Wij berekenen dat in de hydrator zelf wordt afgevoerd 42,8.10 kcal per dag. Dat is 25% van de.totale hoeveelheid. Stel dat

6

wij met het rondgepompte zuur 96 x 10 kcal per dag wegvoeren,

. 6

dan volgt hieruit dat de grafietkoeler(172,3 - (96 ~ 42,8~.10 kcal per dag moet verwerken.

-..

•

-16-BEREKENING VAN TWEE APPARATEN.

1. Warmtewisselaar voor koeling van het water dat wordt ver-sproeid in de phosphorcondensor.

De hoeveelheid te koelen water bedraagt 190,3 - 33,0 s 157,3

ton per dag. De afkoeling is van 60 °c tot 20 °C. Hoeveelheid af te voeren warmte is dan :

157,3 x 106/(24 x 3600) x40

~

72,8 x 103 : cal per sec.

Nemen wij aan, dat koelwater van 10 °c beschikbaar is (bijv. rivierwater) en dat dit' wordt opgewarmd tot 20°C, dan is de benodigde hoeveelheid koelwater 4 x 157,3 • 629,2 ton per dag. Neemt men aan een overallcoëfficiënt voor warmteoverdracht van

U 2200 BTU/(hr) (sq.ft. ) (oF)'= 0,2714 kcal/(sec) (m2) (oC) ,en dat op binnen- en buiten~ijde van de pijpen een vuillaag aanwezig is (het proceswater bevat immers Si0₂ dat zich kan afzetten) en dat de vervuilingsfactoren zijn:

aan koelwaterzijde

l/~-O,OOI

(BTU/(hr)(sq.ft.)(oF))-l

~0,74

(kcal/(sec)(m2)(oC)-1

o . 1

aan proceswaterzijde l/c( ~ 0,003 (BTU/(hr)(sq.ft.)(

F»)-:: 2,22 (kcal/(sec) (m2 ) (OC»-l dan wo rd t Ut t I C ( 1 + 0, 74

° aa 0,2714

~2,22)-1=

0,151 kcal/(sec)(m2)(oC) • Het logarithmisch gemiddelde van het temperatuursverschil

be-( ) ~ 10 0

draagt: ~T lm:: ln-4-= 21,6 C.

Volgens de formule rjJ ::

UA(~T)l

vindt men A: A.- 22,3 m2•

w

m

Indien wij 3/8 in. pijpen nemen (B.W.G.)16) dan is de

beno-. 22 3 x 102 (

d1.gde lengte 1 = 2,54 x x 0,375 = 745 m globaal berekend

om-dat in werkelijkheid het oppervlak per m lengte niet gelijk is aan ~ 0,0254 x 0,375 m).

Voor 100 pijpen van 7,45 m in de pijpen v=,,1,82 x 10- 3

0~0471 x 6,45

Re

~

0,245 x 103 x 0,0245

10-j

is turbulent.

lengte wordt de stroomsnelheid -4 x

-L_

=0,599 m/sec. x 10 100

x 0,599 = 3730 , de stroming

De partiële warmteoverdrachtscoëfficiënt van de vloeistof naar de wand berekenen wij met de co~eelatie:

-.

..

Nu,= 0, 023( Re) 0,8

(~r)

0, 33

(~O,

14 , welke geldt voor turbulente stroming.

Laten wij'voorlopig de correctieterm

(~O,14

buiten beschou-wing, dan vinden wij voor d~ grootheden in de bovenstaande vergelijking:

-' D D 0,8 ~

-""A-::: 0 , 0 2 3 ( f

~)

(7)

Î

0,33

~ ~ warmtegeleidingsvermogen water van 40°C (gem. watertemp.)= 1,45 kcal

oe sec m D :: diameter (inwendig) van de pij pen"" 6,22 x 10-4m•

f=- dich theid wa ter van 400C=992, 5 kg/m3• v :: gemiddelde stroomsnelheid

=

0,599 m/ sec.

'7

::viscositeit van water van 40°6:: 0,656 x 10-3 kg/m sec. cp=soortelijke warmte van water= 1,00 kcal/kg oe

Dit ingevuld geeft: -4

-1_ 0 023 1,45 x 10 x (99 2 .5 x 0,599 x 6~22 x

-3

0,8 10) x V\ - , x 6,22 x 10-

j o ,

656 x 10- . Voor Voor

-3

0,33 ( 0,62 x 10 x 1.00 )

°

915 kcal 1,45 x 10-4

= ,

sec m2 ge de vuillaag op de binnenzijde van de pijp geldt:

0<.

= 0,450 kcal/sec m2 °c

pijpwand :

~

0,654.kcal/m2 oe (~=warmtegeleidingsvermogen pijp

? materiaal

d '= dikte van de pijpwand in m) Voor de vuillaag op de pijp :0{= 1,35 kcal/sec m2 oe.

,

Nemen wij aan dat zich gemiddwld één pijp van uitwendige diameter D zich bevindt op een oppervlak van 9/4

a

2 dan kunnen wij aan

koelwaterzijde de volgende berekening opstellen: hydraulische diameter Dh d _{y rau} I" h

=

42,8 x 10-4 m.

lSC

De overige grootheden die in de Nussely-correlatie moeten worden ingevuld (correctieterm voor viscositeit eerst niet in beschouwing nemen) (gemiddelde watertemperatuue' 15°C) hebben de volgende waarden:

•

•

.À :: 1,36 x 10-4 kcal/sec m oe

p

=

999,1 kg/m3 v=0,565 m/sec

'?

:Jl,14 x 10- 3 kg/m sec cp=l,OO kcal/kg oe

-18-De stroming is turbulent, want Re ~ 2200 dus de correlatie mag inderdaad worden toegepast. Men vindt:

0(

=

0,023 x 1,36 x 10-4 x (2200) 0,8 x (1,14 x 10-3 xl) 0,::: 42,8 x :).0-4 1,36 x 10-4 -=0,695 kcal/sec m2 oe

-De waarde van U wordt dan:

U = (1/0,915+ 1/0,450-r 1/0,654-r 1/1,35+1/0,695)-1= 0,142 kcal sec m2 oe Dit nu is de juiste waarde van U, welke in de betrekking

UA(AT)l dient te worden ingevuld. Danwordt A: .m.

3

2

A

=

72,8 x 10

=-

23,7 m 0,142 x 21,6

.Het oppervlak, waarover warmtetransport plaats vindt bereke-. nen wij m.b.v. het logarithmisch gemiddèlde van de straal van

.

_{de pijpen. Uitwendige diameter}

₌

_{0,375 in. Inwendige diameter}

is 0,245 in. ". r

l _{• m.} =(0,375 _nO,375 ~ 0,245)x 0,5 _ 0,305 in.= 0,00387 m • _. -1 0,245

Het oppervlak per meter pijplengte is dan 2~ x 0,00387=

0,0~43

m2 • De pijplengte is derhalve 23,7 =: 976 m.

0,0243

Wij hebben dan dus nodig 100 pijpen van 9,76 m lengte en het is het beste een 4-pass warmtewisselaar te nemen. De lengte van deze warmtew'isselaar, ",at betreft de pijpen, is dan 2,44 m ~n

de diameter bedraagt 0,323m.

De correctieterm ~)0,14 is z6 klein, dat hij niet in aan-merking behoeft te wJrden genomen, gezien de onzekerheid van de waarden vand van de vuillagen. De correctie zou slechts enke-le tienden van procenten bedragen, en .is daarom achterwege ge-laten.

•

.

"

•

2. Berekeningen voor de afmetingen van een cascadekoeler, ge-bruikt voor het koelen van 85%-ig phosphorzuur.

Wij hebben de volgende gegevens: constructiemateriaal van de pijpen:, karbate.

X

:;76 BTU/(hr)(sq.ft.)(oF).

Hoeveelheid af te voeren warmte 0,1 x 4 x 106.= 0,4 x 106kcal/hr. Iioeveelheid rond te pompen zuur per koeler als c = 0,493 kcal

P . kg oe en 'ne.t zuur van 90 tot 20 oe ",ord t gekoeld:

, , .. 6 3 .

G :: 0,4 x 10. = 11,6 x 10 kg/hr. 0,493

x

70

Dichtheid van 851~ig phosphorzuur wordt gegeven door de be-,trekkingfo;:(1,685

+

0,00075T).103 kg/m3 met T in oe en

_ f25Q

l

685

kg/~3

Kinematische viscositeit van 85%-ig H

3P04 als, funct~e van de temperatuur: .

T (oe) 20

10

40 60 80

Y

(cS) 28 19, 14 8 ,1 .5 ,1

o Stel dat het koelwater wordt opgewarmd van 10 tot·20 C.

De hoeveelheid benodigd koelwater is dan 7'x' 11,6 x 103

=

81,2.10 3 kg/hr.

Nemen wij karbate pijpen met een inwendige diameter van 1,5 in. dan is de uitwendige diameter 2 in. Dikte pijpwand is tin.

Neem de lengte van de pijpen 18 ft. ofwel 5,5 m,

De stroomsnelheid v in de pijpen is nu te berekenen:

v=11,6 x 103/(1,644 x 3600 x 103) x 1/(0,01227 x 0,0929)= 1,72 m/sec.

f

55oeO;: 1,644 x 103 kg/m3 , doorstroomd oppervlak pijp;:;oO,01227 sq.ft. Re; 1,72 x 1,5 x 2,54 x 10-2x 10,4 x

104~

6810, stroming is

turbulent.

~t/y=10,4

sec/m2)

Voor de berekening van de partiële warmteoverdrachtscoëffi-ciënt mag men gebruik maken van de correlatie

Nu'; 0,023 x (R~)0,8 x (Pr)0,33 "'D

=

0,023 x(pvD) 0,8 x(~)0,33

T

'?

À .

~=warmtegeleidingsvermogen 85% H

3P04 Wij nemen deze gelijk aan die van 98% H₂S0

4,aangezien geen gege'vens in de litteratuur aan-wezig zijn.

•

•

•

..

Cl ... -20-D == 0,0381 m.

~=16,2

x 10-3 kg/m sec.

f

=

1,662 x 10-3kg/ m3, alles bij 55 °C. Hieruit volgt cC

=

0,023 x 8,25 x 10§5 0,0381 / 2 0 0,258 kcal sec m C. (6810)°,8

x

(16,2.10- 3

x

0,493)°,3: 8,25 x 10-5

-Voor de karbatewand geldt:

Q

=

0,25 x 0,0254 =0,202 (kcal )

À

76 x 4,13 x 10-4 sec m2 oc Litt 11 geeft voor

waterfilm langs de

de betrekking voor warmteoverdracht pijpen Cl( ='

65(~)1/3,

waarin D

=

uitwendige- diameter o G'

=

li.: 2L Do van de pijp. naar de

L

=-

lengte van een pijp in de koeler, w = massastroom (resp. in ft. en lb/hr)

-1

Voor ons geval vinden Wl.J: W = 0,1 x 4 x 105 kg/hr

=

8,8 x 104 lb/hr.

Als pijplengte nemen wij 18 'ft. Dan is

G'=

8,8 x 10!2440 lb/ft.hr.

V

2xW

c(= 65

(~)

3

=

1600 BTU/ (hr)( sq.ft. ) (OF) = 2,17 kcal/sec m2 oC.

2/12 , .

Deze betrekking heeft voor toepassing de volgende restric-ties: geen verdamping, en een laminair vallende fil~, waarvoor als criterium Re=4Q'kleiner of gelijk aan 2100. Voor grotere waarden van Re

tre~n

kleine afwijkingen op, doch de formule heeft, als aan bovenstaande voorwaarden is voldaan, ook slechts een nauwkeurigheid van 25%. Derhalve is voor ons geval, waarin Re

=

3540, de formule toch toegepast, hoewel dit niet geheel ge-oorloofd is, maar het blijkt toch dat de belangrijkste weer-stand voor warmteoverdracht wordt gevormd door de overdracht tussen zuur en binnenwand van de pijp.

~Vij

vinden dan:U-1;:; 1/0,258+ 0,202+ 1/2,17

=

(0,220)-1

/ . 2 0

U

=

0,220 kcal sec m C.

Het uitwisselingsqppervlak per m pijplengte, berekend m.b.v.

het logarithmmsch gemiddelde van de straal van de pijp, is 0,139 m • 2

.

JI "

..

....

.

...

-21-tt

J Het~benodigd pijpoppervlak kunnen wij nu vinden als (4 T)l

.m.

·t

be~fnd is .Li tt. 11 geeft een grafiek, waarin S

=

t.2.:::h en

~ Tl-tl

R~~TI-T2 zodanig zijn uitgezet, dat een correctiefactor voor

lb2-tl

het. berekend logarithmisch gemiddelde, FT' kan worden

afgele-zen~ Voor ons geval is S ::0,125 en R =7,0. (tl .en t₂zijn resp.

•

in- en uittreetemperatuur van het koelwater, Tl en T

2 die van

h~zuur).

Wij lezen uit de grafiek af FT :.1,00.

Het logarithmisch gemiddelde van de temperatuur bedraagt: (ÄT)l

_{, .m. -}

_ 70 - 10 30,8

°C.

=

ln.TIL.

nL

10

5

2 U-s A

=

4 x 10 ::. 16,4 m 3600 x 0,220 x 30,8

Det-:benodigde pijplengte is dan 16,4 = 118 m. Het aantal pijpen

. ~ 0,139

i~an 118 .

=

21,5. Wij nemen 22 pijpen, de hoogte van

18 x 0,305

de koeler wordt dan, als wij de ruimte tussen de pijpen gelijk maken aan de diameter van de pijpen, 43 x 2 x 0,0254= 2,18 m •