Hoog efficiënt katalytische verbranding van benzeen in het industriële afvalgas

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde Technische Universiteit Delft

Julianalaan 136 Delft

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van S. Aditia &

A.

Hermawan Onderwerp

, ,

je

i/\1M.t{/V

i

Cj.30

302'1

Hoog Efficiënt Katalytische Verbranding van Benzeen

in het Industriële Afvalgas

adres: Zairestraat 99 2622 ET, Delft Poptahof Zuid 555 2624

SJ,

Delft Opdrachtdatum Verslagdatum : Februari 1993 : Oktober 1993

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

~V'~/

-!

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

Technische Universiteit Delft _

~~

~:nalaan

136

~ke...t",-y

adres:

~ ~b

X

~/x

.

~v,

-

ht!4'

y;~ Áa~/

Vakgroep Chemische Procestechnologie

~),~

/77

~

j/~y.

_ Iv

IJ

ll1

J?

Be?U;

4"./~

I>?'/-/yo"d

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

s.

Aditia

&

A. Hermawan

Onderwerp

~~

'- a".c

-f-J4'

Hoog Efficiënt Katalytische Verbranding van Benzeen

in het Industriële Afvalgas

Zairestraat 99 2622 ET, Delft Poptahof Zuid 555 2624 SJ, Delft Opdrachtdatum Verslagdatum : Februari 1993 : Oktober 1993

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaafkunde Technische Universiteit Delft

Julianalaan 136 Delft

Hoog Efficiënt Katalytische Verbranding van Benzeen

in het Industriële Afvalgas

S. Aditia Zairestraat 99 2622 ET, Delft A. Hermawan Poptahof Zuid 555 2624 SJ, Delft

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

SAMENVAmNG

In dit fabrieksvoorontwerp wordt het gedrag van een hoog efficiënte verbrandingsreaktor beschreven. De warmte benutting is erop gebaseerd, dat het door de reaktie verwarmde katalysator bed gebruikt kan worden om het voedinggas op te warmen en later zal het andere bed, dat intussen verwarmd wordt door de reaktie, deze functie vervangen en zo om en om door de zogenaamde reverse-flow techniek. Als een voorbeeld wordt benzeen (CeHe) gebruikt als de stof die moet verbrand worden. De reaktie vindt plaats bij een temperatuur van 4QoC -3000C en -3000C - 700C in het eerste en tweede katalysatorbed respectievelijk. De druk in de reaktor is 1 bar. De berekening en simulatie van het proces worden uitgevoerd met behulp van programma's in de bijlagen.

De capaciteit van de afvalgas-verbrandingsreaktor is 10.000 Nm3/uur afvalgas met 1 gr-benzeen/m3-gas. De conversie in de reaktor bedraagt 99 %. De benuttingsgraad, die aanwijst naar de verhouding van reële omgezette benzeen op het omgezette benzeen zonder concentratie profielen in de katalysatorwand, wordt 0,0148 gevonden.

De investering van het project en het jaarlijks operationeel kosten bedraagt fl. 566.000,- en fl. 217.000,- respectievelijk.

~el

/

f-;Ä"Y'7

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

KONKLUSIES

Reverse-flow techniek biedt een aantal voordelen voor het verbranden van industriële afvalgas met lage concentraties van de verontreinigende stoffen.

De door de reaktie vrijkomende warmte wordt efficiënt benuttigd, dat minder katalysator bed nodig is. Met dezelfde voedingstemperatuur is een katalysator van tien keer zo groot nodig,

oftewel dezelfde bed-grootte maar de voedingtemperatuur moet in orde van 510 K. De elektrische energie is voor deze reaktor alleen nodig voor het opstarten van het proces.

Tevens wordt de katalysatorleeftijd, door de relatief lage procestemperatuur (max 300oC),

langdurig.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

INHOUDSOPGAVE Titel Pagina ... i .. Samenvatting ... .ii. Konklusies ... jij. Inhoudsopgave ... .iv. 1. I n Ie id i ng ... 1.

2. Uitgangspunten voor het ontwerp ... 2

2.1. Capaciteit en samenstelling van de voeding ... 2

2.2. Het katalysatorsysteem. ... 2

2.3. Fysische eigenschappen ... 2

2.4. Corrosie-aspecten ... 3

2.5. Veiligheidsaspecten ... 3

3. Beschrijving van het proces ... 4

3.1. De proces-opstelling ...

:4-3.2. Flexibiliteit van het proces ... 5

4. Proceskonditie ... 6.

4.1. Reactiekinetiek ... 6

4.2. Hoofd- en bijprodukten ... 7.

4.3. Reactiewarmte ... 7.

4.4. Thermodynamica ... 7

5. Keuze en berekening van de apparatuur ... 9

5.1. Warmtewisselaar ... 9

5.2. De waaier ... 13

5.3. De reactor ... 1:4-5.3.1. Stationaire toestand ... 14

5.3.1.1. Poriediftusie ... 14

5.3.1.2. Het tankjes in serie model ... 16

5.3.2. Niet stationaire toestand ... :17

6. Massa- en warmtebalans ... 20

7. Overzicht specificatie apparatuu r ... 22

8. Kosten ... 2i3

8.1. Investering ... 26

8.2. Operationeel kosten ... 26

9. Procesregeling ... 28

9.1. De regelingen in de reactor ... 28

9.2. De regeling in de ingaande stroom van het oft-gas (stroom 1) ... 28

10. Symbolenlijst. ... 29

11. Literatuuroverzicht.. ... 31

Bijlagen ... 32

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 K ataly tische Verhranding

1. INLEIDING

Het off-gas van een chemische industrie bevat veel organische verbindingen (o.a. van het organische oplosmiddel). In grote hoeveelheid zijn deze organische verbindingen meestal schadelijk, en kunnen niet zomaar in open lucht afgevoerd worden. De concentratie van de organische stoffen moeten gereduceerd worden tot een geoorloofde waarde.

Beschikbare technologies voor de reductie van de koolhydraten zijn onder andere :

1. Thermische verbranding 2. Adsorptie op actieve koolstof 3. Katalytische verbranding.

Bij thermische verbranding is hoge temperatuur (650 - 1000 °C) nodig om een conversie van meer dan 99%. Voor het handhaven van zo'n hoge temperatuur is veel brandstofkonsumptie nodig, bovendien moet het materiaal van de proces-voorzieningen tegen zo'n hoge temperatuur aankunnen. Speciale materialen kosten veel.

Bij de adsorptie techniek ontstaat de verontreiniging bij het regenereren van de gebruikte

d

koolstof. Bovendien fsorbeert de actieve koolstof een stof sterker dan een andere en zou de capaciteit van de koolstof zelf reduceren. De keuze is dus gemaakt op de katalytische verbranding.

De doelstelling van de opdracht is het bestuderen en berekenen van een efficiënt catalytische verbrandingsproces voor het industriële off-gas.

Uit een advertentie wordt het bekendgemaakt dat HALDOR TOPS0E in Denemark in staat is om twee soorten reactoren, namelijk CA TOX en REGENOX, te maken, welke heel goed zijn om de verontreiniging die veroorzaa t wordt oor de organische verbindingen in het off-gas van de industries te reduceren. Het proces is een katalytische verbranding. Het proces verloopt zelfs bij lage concentratie van brandbare stoffen (0,7 gINm3 HC) doch goede conversie (hoger dan 99%) en goede warmtebenuttiging (meer dan 95%). Door die lage temperatuur is de leeftijd van de katalysator langdurig.

Deze verbrandingsreaktoren zijn toepasbaar voor het verbranden van de afvalgassen uit :

- Drogerfornuis voor drukkerij. - Vernis en verf droging.

- Voedsel industrie.

- Phtalaat- en maleaat anhydride industries en andere organische synthese.

- Sulfuurverbindingen, HCN en CO producerende Industries. - Chemische industrie.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 K ataly tische Verbranding

2. UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONlWERP

Benzeen wordt veel gebruikt in chemische industries als een oplosmiddel. Omdat benzeen een zeer giftige stof is (MAC = 10 ppm of 30 mg/m3

), moet de benzeen-concentratie in het

afvalgas gereduceerd worden tot een bepaalde waarde die lager is dan de MAC-waarde.

()

2.1. Capaciteit en samenstelling van de voeding

~

I

~

k b

~

.

De reactor wordt ontworpen voor een capacitei-t'van 10.000 Nm3/uur gasstroom die bestaat

uit 1,0 gINm3 (10 kg/uur) benzeen en luchr1Î1600 kg/uur lucht). Bij de berekeningen in de massa- en warmte balansen, is de bijdrage van de fysische eigenschappen van het benzeen te verwaarlozen. De fysische eigenschappen van de stroom zijn die van het lucht.

2.2. Het katalysatonysteem

116

/0

~/tt

::

Ij

/ ';6/.'.0_{" /,3~::.""::>} / / 9,22 -'- _'" "

De gebruikte katalysator wordt ingebouwd uit poreuze palladium-film in een

honeycomb-I

PIk,"

,,"

"

?

#~h?7~dd,/ mlp'-~/

J

reactor.

2.3. Fysische eigenschappen

Enkele fysische constanten die van belang zijn voor het ontwerp is te zien in tabel 2.1.

stof M p _{cp 11} À (kg/m3) (J/g.K) (Pa.s) (W/m.K) benzeen 78.1

---

---

---

---stikstof 28.0 1.25

---

---

---zuurstof 32.0 1.430

_---

_---

---palladium 106.4 1554 0.244

---

71.8 water 18.0 1000(1)

---

---

---lucht

---

1.16127 1.007 1.86e-5 26.2e-3

---

0.696227

1.030

_---

39.7e-3 Tabel 2.1 FYSische constanten van de stoffen voor het ontwerp

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding 2.4. Corrosie-aspecten

Aangezien de verbrandingsreactie optreedt bij een relatief hoge temperatuur waarbij er een overmaat van zuurstof in het gasmengsel zit, zullen de wanden van de apparaten die in aanraking komen met het gasmengsel bedekt moeten worden met een corrosie bestendig laagje. In de chemische industrie wordt als beschermend metaal vaak titanium gebruikt. Zo ook in dit ontwerp.

Titanium is heel bestendig tegen corrosie, zo is er maar kleine hoeveelheid van titanium nodig om het metaal te beschermen.

2.5. Veiligheidsaspecten

De fysische constanten die van belang zijn voor de procesveiligheid worden gegeven in tabel 2.2.

stof explosiegrenzen ontvlaambaargrenzen 293 K, 101,325 kPa 293 K, 101,325 kPa

vol % gas in lucht vol % gas in lucht

La Lb La Lb

benzeen 1,4 7,1 1,4 7,1

Tabel 2.2 De tysIsche constanten voor de procesveIhgheI<

De reactor is ontworpen voor een conversie van 99%. De concentratie van benzeen in het uitgaande gas bedraagt maar 10 mg/Nm

,

3 of 3,3 ppm.

De copcentratie van het benzeen in het gasmengsel is veel lager dan de onderste grens voor explosje. Er is dus geen gevaar van explosie. Bij normale uitvoering van het proces is er geen

gezon

~

heid

gevaar tijdens het werken zolang de gebruikelijke voorzorgsmaatregelen in acht worden genomen.

J

L7?W7?&Ur

-~Ä-l

,1k1-,(,

..3

,

8pm:;:.

tV"

JJ>

J!

/~.

/

-=

~

3 t).

~

~~

~~&-.

~Q/n/~

#l'Ie~ /O~41~.

I schon. lucht P1 OIf-gas

R1 Verbrandingsreactor

H1 Wanntewlsselaar

H2 Elektriciteit

verwarming

P1

waaier

r---ïiII---~ "

.

i i i i i i i ; i ; ; ; ; ;

__

_

__ J

i--- ---1 ! j--- ---, ! I I I I I I I I I I I I I I I I ---, i ; ; ; ; ; ; I I r-~'~~'---~AL~_,

_!

R1 V1 H2 V2

IU

I I i i

!

!

l

_

_

:=~=~=~=~=~=~=~=~=~~

__

~

B2

r---; ; ; i ;

!

~

'i I I V4 i i i i , ,

!_-~~=~---:j

Processchema van off-gas Industrie

I

S. Adltla Oktober 1993

A. Hermawan

a:> :

Stroomnummer

C[J :

Temp. In C

@:

Abs.

druk In bar

Figuur 3.1

:

De opstelling van het

proces

---I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

3.

BESCHRLNING VAN HET PROCES

3.1. De proces-opstelling

De opstelling van het proces is schematisch weergegeven in figuur 3.1. De opstelling bestaat uit twee katalytische bedden (B 1 en B2) met een elektriciteit verwarming (H2) tussen de bedden, een waaier (PI) en een warmtewisselaar (Hl).

De positie van de afsluiters kan zodanig worden geregeld dat het off-gas een twee richting stroming heeft. Of het van onder naar boven van de reactor unit wordt geleidt of in de tegengestelde richting. Dat betekent dat als het off-gas van boven naar onder van de reactor unit wordt geleidt zijn de afsluiter I (VI) en 4 (V4) open, anders zijn de afsluiter 2 (V2) en

I

3 (V3) open. ~ I

cC'

r; / j

/UuhL~&l.

'7f

~

3b

r~l#'l71

-'

'

I.

De off-gasstroom (stroom 1), die bel)21ée'n bevat, is voorverwarmd met behulp van een

I

warmtewisselaar (Hl)stroom (stroom 3). In . Hierbij wod~ste !,:katalytische bed (BI), die warm isdrhet gas dat uit de reactor stroomt gebruikt als de hete , wordt het off-gas

() verwarmd tot ongeveer ~OOc> (door die exotherme reactie) waarin de meeste brandbare

I

/ ~. stoffen worden verbrandeen elektriciteit verwarming . s het nodig wordt een extra warmte toegevoegd door middel van ~tal bij het opstarten). De resten van de brandbare stoffen katalytische bed (B2), die koel is aan het bui\en kant, gaat. 1-- lY1 /

I

I

(dus onverbrande stoffen) wor~dog een keer verbrand wanneer het off-gas langs de tweede aOFï::;d

~

;11/J?

.~-h

~ ~;::::::

3tJ..o '- .:.

Het lucht dat nu schoon is, wordt e~e schoorsteen met behulp van ~n zogenaamde

waaier. Voordat wordt Dit lucht gekoeld tot de temperatuur die iets hoger is dan de ~ temperatuur van het ingaande off-gas met behulp van een warmtewisselaar (Hl).

I

~:z:t-I

I

I

I

I

I

I

I

I

Tijdens het gehele proces wordt de eerste katalytische bed (B 1) gekoeld terwijl de tweede katalytische bed (B2) verwarmd wordt. De stroomrichting wordt op de optimale temperatuur veranderd waardoor de verwarmde bed wordt gekoeld, en de andere wordt nu verwarmd.

Hierdoor wordt de warmte van de reactie sterk benuttigd voor het voorverwarmen van het voedinggas.

Het ideale profiel van de off-gas temperatuur in de reactor unit (Rl) te zien in figuur 3.2.

De verontreiniging, die veroorzaakt wordt door de kleine deeltjes (stoffen), speelt meestal geen rol want deze deeltjes, die aan het oppervlak van de katalysator plakt, kan worden weggeblusd door middel van de richtingsverandering van de off-gas stroom.

Enkele belangrijke gegevens :

Het uitgaande gas heeft een druk van 1 bar en een temperatuur van 70oC. De druk in de gehele opstelling is atmosferisch (1 bar).

4

~'l

'

81

H2

B2

Bl : eerste katalysator bed

H2 : eIecIricIteIt verwannlng

B2 : tweede katalysator bed

o

50 100 150 200 250 300 350 400 0 C

Temperatuur

Aguur 3.2 : Het ideale temperatuur profiel van de off-gas In de reacIDr unit

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

3.2. Flexibiliteit van het proces

De conversie van het benzeen in de reactor is geen functie van de ingaande concentratie (concentratie van het benzeen in het industriële afvalgas). In principe, met een conversiegraad

van > 99 %, kan het verbrandingsproces draaien met een benzeen concentratie tot 3 g/m3.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 K ataly tische Verhranding

4. PROCESKONDlTIE

4.1. Reactiekinetiek

Op platinum of palladium katalysator wordt de kinetiek van de reactie gegeven door : k, Pb' pg,,5

r

=

---(1+k', Pb +k", Pb' Pg,,5+klll, P~O' PC;:' 5) 2

Waarin :

k

=

1,5.103 e·17001RT mmol/cm2.sec.atm,

k'

=

1,37.103 e1140IRT atm-1,

kil

=

1,25.1 03 e2330IRT atm-1.5, k"l

=

_{0019 e4200IRT atm-O,5}

, ,

(4.1)

Pb' P_{02' en PH20} zijn de partiële drukken van benzeen, zuurstof en waterdamp (atm) respectievelijk. Bij P_{H20 <} 0,00447 atm (0,4 mol % in het gasmengsel) dan geldt de volgende vergelijking :

(4.2)

Is er een overmaat van zuurstof (P02 > 0,095 atm of meer dan 9,5 mol % in het gasmengsel) dan is de reactiesnelheid onafhankelijk van de zuurstofconcentratie. De reactie kinetiek wordt:

r = k,Pb (4.3)

Echter is een kritische reactie toestand vereist om de reactie stationair te kunnen laten verlopen. Als deze kritische toestand niet bereikt is, is de afhankelijkheid van de reactiesnelheid van de samenstelling in het gasmengsel en van de temperatuur niet erg veel. Bij de simulatie om het ontwerp te testen wordt aangenomen dat die afhankelijkheid te goed beschrijven is, zoals wat wij zien in formule. En om de simulatie te vereenvoudigen wordt een lineaire (l'!e-orde) reactiesnelheid gebruikt, door het aanname dat k',P_b « 1 is bij lage concentratie van het benzeen. De reactie wordt :

(4.4)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

4.2. Hoofd- en bijprodukten

De reactie-hoofdprodukten zijn kool dioxyde (C02) en water. Per gram benzeen-conversie

wordt er 3,4 gram kool dioxyde (MAC-waarde van kooldioxyde is gelijk aan 5000 ppm of 9000 mg/m3) en 0,7 gram water.

Door de reactie is een kleine hoeveelheid van koolmonoxyde (CO) geproduceerd (1-5 % van de totale kooloxyde-hoeveelheid). Deze hoeveelheid is te verwaarlozen ten opzichte van de toegestane MAC-waarde van kool monoxyde. De MAC-waarde van koolmonoxyde is gelijk aan 25 ppm of 29 mg/m3.

/

o,~/~

. .... /0

~ee:.

.!.~.

h

4.3.

Reacnewannte

.~

10

.

~

'77,p

=

.:t.7#C

~ =-

/.to

kw

In de reactor treedt er de volgende reactie op :

.

~~ ~1!JVj,~ra1tU

t

/1'%,..1

=

De reactie-enthalpie bedraagt -~0298.15

=

3299,6 kj/mol./'

i

Uit berekening blijkt dat deze verbrandingsenthalpie weinig verandert ten opzichte v~ de

temperatuur in de reactie temperatuur gebied. /

=

K,.t/'?tz.-4.4. Thermodynamica Bij temperatuur

=

T geldt :

verder geldt : 82,98 0,00 -393,77 -242,00 0.00

Voor de soortelijke warmte geldt :

JI()'~

(4.5)

(4.6)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

Cp = a +b.T+c.T2 +d.T3 (4.7)

waarin cp in J/(mol.K) is. En er gelden :

waarin X_{a, X b} en Xc de molfrakties van stof a, b en c respectievelijk.

De constanten a, b, c en d worden in tabel 4.1 gegeven

I

stof 11 a

I

b

I

c

C

6

H

6 -33,917 4,743e-1 -3,017e-4

O

2 28,106 -3,680e-6 1,745e-5

CO

2 19,795 7,343e-2 -5,601e-5

H

2

0

32,243 1,923e-3 1,055e-5

N

2 31,150 -1,356e-2 2,67ge-5 8 (4.9)

I

d 7,130e-8 -1,065e-8 1,715e-8 -3,596e-9 1,168e-8

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

5. KEUZE EN BEREKENING VAN DE APPARATUUR

De motivering van. de keuze van de apparatuur hebben veel aspecten, onder andere de aspecten van temperatuur en druk van het proces, etc.

De reactie vindt plaats bij een verhoogde temperatuur. Alle gebruikte apparaten, die in aanraking komen met het reactiegas, moeten bedekt worden met titanium of een titaniumlegering.

In dit gedeelte wordt de berekening slechts globaal gegeven. Een schematisch en gedetailleerd overzicht van de resultaten staat weergegeven in hoofdstuk 7 en bijlage 2.

5.1. De wanntewisselaar

Warmteoverdracht is wel de belangrijkste en meest toegepaste in de procesindustrie. Immers de meeste processen vorderen in bepaalde stadia van hun afloop, toevoer of afvoer van warmte en handhaving van een bepaald temperatuumiveau, dat ver boven of beneden de normale omgevingstemperatuur ligt.

Deze warmtetransmissie in en uit het systeem moet doorgaans plaatsvinden zonder dat vermenging van de warmte uitwisselende stofstromen plaatsvindt. Dit bereikt men door het aanbrengen van een vaste scheidingswand tussen de stromen, die voor warmte goed doorlaatbaar, maar voor stoftransport impermeabel is.

In principe kan men onder warmtewisselaar elk werktuig verstaan, dat de warmteoverdracht bewerkt tussen twee media, die zich op een verschillend temperatuumiveau bevinden. Daarbij wordt het koudere medium warmer ten koste van het warmere medium, dat afkoelt, of een of beide media koken of condenseren bij constante temperatuur.

Hier wordt de warmtewisselaar gebruikt om het gasmengsel voor te verwarmen en een redelijke reactiesnelheid bij deze temperatuur te laten verlopen. De energie voor het voorverwarmen wordt getrokken van de hete gasstroom uit de reactor dat energie besparing betekent.

De meest toegepaste en veelzijdige vorm is wel die van de pijpbundel in een cylindrische mantel ("Shell and tube") of de pijpenwarmtewisselaar. Wanneer we een van de media door buizen laten stromen die door het andere medium worden omspoeld, kunnen we grote oppervlakken in compacte vorm onderbrengen. De eenvoudigste en goedkoopste uitvoering van een pijpenwarmtewisselaar is de warmtewisselaar met vaste pijpplaten. De beide pijpenplaten zijn aan de mantel vastgelast. Vooral als er een groot temperatuurverschil bestaat tussen de twee media in de warmtewisselaar en bij grote lengte van het toestel, kan dit problemen geven, waardoor thermische spanningen in pijpen en mantel ontstaan.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding Een ander nadeel van deze warmtewisselaar is de moeilijkheid om de pijpbundel aan de mantelzijde te reinigen, omdat de bundel niet uit de mantel getrokken kan worden.

In dit FVO is het temperatuurverschil niet zo groot en het gas is redelijk schoon. Daarom wordt deze warmtewisselaar toegepast. Waarin wordt het warmere schone gas door de pijpen gegaan en het kouder off-gas wordt om de pijpen gegaan.

Het aanbrengen van keerschoten loodrecht op de pijpen bundel is nodig om de stroom in de mantel langs de pijpen te sturen en deze dienen tevens als ondersteuning voor de pijpen. Daarnaast hebben ze als taak de snelheid van het gas verhogen waardoor een betere warmteoverdracht plaatsvindt. De baffle (keerschot) die het meest wordt toegepast is de single segmental baffle. De optimale baffle cut, dat deel van het segment dat verwijder is om de baffle te vormen uitgedrukt als percentage van de ronde-baffle diameter, is 20 tot 25%. De baffle spacing (keerschotafstand), de afstand tussen twee opeenvolgende baffle, ligt tussen 0. 2-1.0 maal de manteldiameter. Een kleinere baffle spacing geeft hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten, maar dit gaat ten koste van een hogere drukval. In dit FVO wordt een baffle cut van 25% en een baffle spacing van 0.8 maal de manteldiameter toegepast.

Hoge snelheden in en om de pijpen geven hoge warmteoverdrachtscoefficienten maar ook een hoge drukval. Tevens verminderen hoge snelheden de vervuiling. De gassnelheid in de pijpen en in de mantelzijde wordt ontworpen tussen 10 mis en 30 mis. De drukval blijft zodoende beneden de 50 kPa.

Verder wordt er voor de gehele warmtewisselaar aangenomen dat :

a) geen warmteverliezen naar de omgeving optreden (adiabatisch proces);

b) in de axiale richting geen warmte-vereffening door menging of geleiding plaats vindt; c) de stofkonstanten en de warmteoverdrachtscoëfficiënten constant zijn.

De (gemiddelde) fysische eigenschappen van de lucht stromen staan in tabel 2.1. Verdere gegeven van belang zijn voor het ontwerp:

- Uitwendige pijpdiameter, do - Inwendige pijpdiameter, dj - Steek in driehoek, Pt - Pijplengte, I - Pijppassages - Mantelpassages - Baffle spacing - Baffle cut - Voor stainlees-steel, kf

=

25

=

20

=

31.2

=

1.5

=

1

=

1

=

608

=

25%

=

16 mm mm mm mm mm W/m.K

De warmtewisselaar is met een door Coulson & Richardson gegeven procedure berekend.

Deze procedure wordt in het EUREKA programma geimplementeerd (zie hiervoor bijlage 3).

De algemene vergelijking voor warmteoverdracht over een oppervlakte is 10

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

Waarin:

Qw

U

=

..1T_m

hoeveelheid warmteoverdracht per tijd eenheid, W totale warmteoverdrachtscoëfficiënt, W Im2

oe

gemiddeld temperatuurverschil,

oe

(5.1)

Het belangrijkste in het ontwerp van een warmtewisselaar is het bepalen van het benodigde warmtewisselend oppervlak, A. Uit vergelijking (5.1) volgt dat

A

= Qw

U

AT".

(5.2)

Het gemiddelde temperatuursverschil, ..1T_m is constant verondersteld, namelijk 30°e.

De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt, U, is de reciproque van de totale weerstand tegen warmteoverdracht. Deze totale weerstand is de som van verscheidene individuele weerstanden.

De relatie tussen de totale coëfficiënt en de individuele coëfficiënten wordt, voor warmteoverdracht over een pijp van een warmtewisselaar, gegeven door

waann:

U

o

=

(5.3)

totale warmteoverdrachtscoëfficiënt op basis van het uitwendige oppervlak van de pijp, W Im2

oe

partiële warmteoverdrachtscoëfficiënt binnen de pijp, W Im2

oe

partiële warmteoverdrachtscoëfficiënt buiten de pijp, W Im2

oe

vervuilingsfactor binnen de pijp, W Im2

oe

vervuilingsfactor buiten de pijp, W Im2

oe

warmte geleidingscoëfficiënt van de materiaal, W Im2

o

e

uitwendige pijpdiameter, m inwendige pijpdiameter, m

De warmteoverdrachtcoëfficiënt in de pijpen (hJ wordt met de volgende formule berekend

Waarin: h Re Pr 11 Ilw = warmteoverdracht-factor Reynold getal, P Ut dj I 11 Prandtl getal, cp 11 I kf dynamische viscositeit, Pa.s viscositeit aan de wand, Pa.s

11

Pt

(b) Een driehoekige pijpsteek

c

c

(a) Een vierkante pijpsteek

Figuur 5.1 : Equivalente diameter bepaling

Pt

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding inwendige pijpdiameter, m

warmte geleidingscoëfficiënt van gas, W /m oe

Terwijl de warmteoverdrachtcoëfficiënt aan de buitenzijde van de pijpen (ho) met de volgende formule wordt berekend

waann :

de

hod, =

i

RePr°.33(~)o.14

kJ

la

P.w

equivalente diameter, m

Om de diverse specifieke pijpdiameter onder te brengen in één getal dat gebruikt kan worden om Re te berekenen heeft men de equivalente pijpdiameter de als volgt gedefinieerd.

d

=

4

*

doorstroomdoppenkzk

,

be~ochngde~jponUrek

(5.5)

en wel (om verschillen aan te geven tussen driehoekige en vierkante pijpsteek) evenwijdig aan de pijpas (zie figuur 5.1).

Voor een vierkante pijpsteek geldt :

d

=

1.27(p2~78Sd2..

,

d

t ' o}

o

(5.6)

Voor een driehoekige pijpsteek :

(5.7)

waann :

Pt de hartafstand van de pijpen (zie figuur 5.1), mm

Uit de gegeven formules voor de berekening van de warmteoverdrachtscoefficienten blijkt dat bij een grotere Re, Nu _{(= hode / kf) ook groter is}.

Bij grotere vloeistofsnelheden wordt de warmteoverdracht dus beter. De drukval over de warmtewisselaar wordt dan echter ook groter dus er is meer pompenenergie vereist. De totale drukval over een warmtewisselaar voor het gas door de pijpen (LW_t).

Figuur 5.2 : 'Straight-blade', or 'steel-plate', waaier

I

1

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

waarm: APt Np ~ L Je =

=

2

APt

=

N

p

[&ijUd){I11I1,

.,>-m+2.S]

P;t

(5.8) drukval in de pijpen, Pa aantal pijpenpassages

snelheid van het gas in de pijpen,

mis

pijplengte, m frictie factor

De drukval over de buitenzijde van de pijpbundel (AP_s) wordt berekend met 2 waann: APs Ds

IB

5.2. De waaier

AP.

=

8jjDJd.)(L/lB)

P;,

(:,,>-().14

drukval buiten de pijpen, Pa

inwendige diameter van de mantel, m keerschotafstand, m

snelheid van het gas buiten de pijpen,

mis

(5.9)

Voor het transport van gas in een relatieve lage drukverschil gebruikt men meestal een waaier. De geb~~ikte waaier is ontworpen v~~r een debiet van de vo~ing dat gelijk is aan 10000

m

3

/uur

bIJ 250C of 1,25.104

m

3

/uur

bIJ 60oC.

nj

.}

~~

.

l

.t(

",h

)

.,,-~

J..

T:)

we

/ ,

Er wordt gebruik gemaakt van een centrifugale waaier type straight blade fan

(zie~uur

5.2). He benodigde vermogen van de waaier wordt berekend door:

waann: P ~v p = P =

2,72.10-5 •• ,.41

het vermogen, kW de volumestroom, m3

fh

~ruk is (cm water kolom)

(5.10)

De operationele efficiency van waaiers ligt tussen 40 % tot 70 %. In dit ontwerp is de waaier met een efficiency van 50 % gebruikt.

Figuur 5.3 : De honeycomb reactor

I

I

I

1

I

:

I

1

I

1

I

I

1

I

1

1

1

1

1

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

5.3. De reactor

Als katalysator wordt Palladium gebruikt. De reactie vindt plaats bij atmosferische druk. Om deze reden wordt een honeycomb-reactor (zie figuur 5.3) gebruikt in plaats van een gepakte bed reactor, die een zeer hoge druk zou handhaven bij hoge gassnelheid. De monolieten in de reactor bestaan uit een groot aantal parallelle kanalen. De katalytisch actieve component wordt hierop aangebracht.

Er wordt aangenomen dat er geen reactie in de gasfase optreedt. De reactie treedt alleen in de katalysator-oppervlak.

Het afleiden van een reactor model voor deze monolieten is analoog aan vast bed

reaktoren: de moleculen moeten vanuit het kanaal (de bulk) naar de wand diffunderen, de katalysator binnendringen (poriediffusie ) waarna ze vervolgens kunnen reageren. Uiteraard veranderen de concentraties in de lengte richting van de monoliet; in het algemeen wordt monoliet als een ideale buisreactor beschreven.

5.3.1. Stationaire toestand

In de stationaire toestand zijn er dus 2 onafhankelijke variabelen (lengte richting monoliet en de wand in). Dit zal dus resulteren in een aantal partiële differentiaal vergelijkingen. Om een van de onafhankelijke variabele kwijt te raken, de plaats in de lengte richting van de monoliet, kan het 'tankjes in serie' model gebruikt worden.

5.3.1.1. Poriediffusie

Voor de massabalans in de wand geldt : in waann : Ap D_eff

C

A

X a =

=

uit

+

omzetting

+

ophoping

buitenoppervlak van een katalysatordeeltje, m2

effectieve diffusie-coëfficiënt in het poreuze kat.deeltje, m2/s

concentratie van stof A, mol/m3

afstand van buitenoppervlak van de wand, m

(5.11)

heterogene omzettingssnelheid van A per eenheid van de reactie-oppervlak, mol/(m2_opp-s)

reactie-oppervlak per volume eenheid katalysator deeltje, m2

op/m

3

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Vergelijking (5.11) resulteert in :

tPt;

a

- - 2 =

- 0

. (

-

TAs)

dx

"elf Katalytische Verbranding (5.12)

I

Voor de verbrandingsreaktie van benzeen geldt :

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

tPt;

a

dx

2 =

Ddt· k.

c;..

Met behulp van dimensieloze variabelen

x*

=

X/h en

y*

=

CJCA,b

waarin

h = halfdikte van de wand (m),

CA,b

=

concentratie van A in de gasfase (bulk), mOl/m3,

wordt vergelijking (5.13) :

tPy·

= ~.

a

k

y.

dx·2 _DIlf'f·· De randvoorwaarden zijn :

x·

= 0,

_{Y •}

= 1 + - .

1

(~)

nu·

.=0 s Bi dx* x

afkomstig uit de wet van behoud van massa in de film theorie :

(5.13)

(5.14)

kJ. CAb

-

CAsl

=

-

Ddt (

~)

x=O

(5.15)

waarin

~

=

gas-film stofoverdrachtscoëfficiënt,

mis

,

Bi

=

Biot modulus, Bi = ~h/Deff'

subscript s en b verwijzen naar oppervlak (surface) en bulk respectievelijk. De andere randvoorwaarde is :

CA,bullr.l CA,bullr.2

lste-tank

Flguur 5.4. Het tankjes in serle model.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

x· =

1,

5.3.1.2. Het tankjes in serie model Dit model wordt afgebeeld in figuur 5.4. In de 1 ste_tank geldt: of:

dy·

-

=0

dx·

waann : cI»mf,i (J L

=

moltransport in de film in de ide-tank, mol/s de som van de omtrek van de kanalen, m totale lengte van de reactor, m

= _{aantal genomen tanken}

molstroom na de ide -tank, mol/s Verder geldt: cI»m,i

=

cI»y,i,CAb,i

en er wordt aangenomen dat: cI»y,i

=

cI»y,i+l

=

constant

=

u.A

Vervolgens kan er afgeleid worden :

Door het delen met CAb 1 en bewerken geldt :

CA,O

CAb,!

= '

-a.(L/n).k", •

uA

.(1-y

,,I) +

1

voor de 2de-tank geldt :

16 Katalytische Verbranding (5.16) (5.17) (5.18) (5.19)

I

I

I

I

Fabriek VOOT Ontwerp 1993

C~2

C

A41

a. (

LJ

rij . km (1 _ • \ u.A . Y 5,21 Katalytische Verbranding + 1 (5.20)

I

en voor de nde-tank geldt:

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

CAqIJ-l CAq IJ = -~-=-=----=---::,....:="-=--=---U.

(IJ n) .

Km (1

-

•

J

+

1

u. A

.

Y

s, (5.21)

5.3.2. Niet stationaire toestand

Het proces verloopt niet in de stationaire toestand. Benadering naar deze toestand in de

reaktor is uitgevoerd als volg :

De concentratie gradient in de lengte richting in de porien is kwijt te raken met behulp van de zogenaamde benuttingsgraad van het katalysatordeeltje, E.

Om de onafhankelijke variabel in de lengte richting van de reaktor, wordt er nog steeds gebruik gemaakt van het tankjes in serie model.

5.3.2.1. Benuttingsgraad van het katalysatordeeltje

De benuttingsgraad van het katalysatordeeltje is gedefinieerd als:

E

(

<IJmol '"

p) reel

=

(<IJmol'"

p) bij afwezigheid

van een cone. profiel

De waarde van E wordt bepaald door het resultaat van het programma in de stationaire toestand te delen met het resultaat dat zou komen van een ideale buis reaktor bij de afwezigheid van een concentratie profiel.

5.3.2.2. Massa- en warmtebalans in de niet-stationaire toestand

Voor de omzettingssnelheid van het benzeen in de nde-tank geldt:

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor OnJwerp 1993 Katalytische Verbranding

met: Cb,n

=

Cb,o (1-çn)' waarin: Çn = conversie Vergelijking (5.22) wordt:

-

BAd

1 (5.22)

Ai,

ar

exp (

RT)·

4,0· (l

-

tJ

Tb,s = E (5.23)

-

BAd

2 ~ 2

(1+X

2, ar

exp (

Ri)·

t;,o·

(l-~J)

en

De massa balans van het benzeen in de nde-tank wordt bepaald door:

rçn

= u.

(IJ

n)

(~

_

~

\ _ a oII122ttinpmelh (5.25)

ft

u.

A

.

~n-l ~I1I.

r

'-11,

°

De warmtebalans in de gasfase wordt gegeven door:

dTn

=

('T'

_

'T')

a.

(IJ

n) _

U

~

,

kat .

('T' 'T'

)

d

'jo .1

n

1 .1

n

A

(IJ )

Cl .1

n

-

.1

n

,

kat .

L - U.

a

.

n

.

Plucht· Plucht

+ (

-

~

•

a. omzettingssnelh

P

lucht · Plucht

Tenslotte wordt de warmte balans van de katalysator per tank gegeven door:

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

~bt

.

dt

De warmteoverdrachtscoëfficiënt, U, wordt berekend door:

l I d

- = - +

-U hu

lw

= de halfdikte van de wandcel, m

Katalytische Verbranding (5.26) (5.27) waarin: d À hu

=

=

de warmte-geleidingscoëfficiënt van de wandcel-materiaal, W/m2_.K

de warmteoverdrachtscoëfficiënt van het stromende gas. Deze hu wordt gegeven door:

hu-1 db

=

0,

CJl7. RtfJ,8. /To,n

met : Re

=

G.dh

1'7

;

Pr

=

cp''7

IÀ

en voor Re

>

10 4 en Pr

>

0,7 waarin:

d

_h G

=

=

de hydraulische diameter

de massastroom per oppervlakte-eenheid.

19

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

11

Katalytische Verbranding

6. MASSA- EN WARMTEBALANS

In dit hoofdstuk worden de massa- en warmtestrom /. weergegeven. Beiden zijn berekend met behulp van het zelfgemaakte computerprogramma's (Turbo Pascal). De massa balansen in de stationaire toestand wordt berekend met behulp van programma STA TTOES.PAS (zie bijlage 4). Hiermee is de grootte van de reactor berekend, en vervolgens wordt de benuttingsgraad, E, bepaald (zie bijlage 5).

De simulatie over de balansen in de reactor wordt uitgevoerd met behulp van programma FVO.PAS

(zi~6)

.

1

(1

tP-'

in

?

~t/'~

~

I

l

)fo;f

I

Jrv'

r"""1.

20

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

IN

V

M

a

M

a

3.225

0

,e.

"p

3.225

48.98

i<

Rea . I rl'

~

115.5

<::

3.225

:?,'~

tk1

97.98

5.86

a.22

(

115.5

~'-,---

"\

/

----./

Katalytische Verbranding MASSA- EN WARMTE-BALANS

UIT

R

M

a

M

a

Off-gas

1

t

,

-H1

fo~.!I

'

e~

~

3

~

_::::-

-D

'-, _,

3

---

_V1

_47.7

-, ,

.Li~,9i

'~-2 ~

~

~

La

.

>

~ ~,

(j!JJ!)

te J ~

R1

---

----

4

•

P1

q-:j

,

Arbeid

5

,

./-/ '

...

~

/

/

lP;

'

'"\

_/

5

of(

,...

3.225

97.98

schoon-gas

~

(I

ç

.

TOTAAL

3.225

_~

2]

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

7. OVERZICHT SPECIFICA TIE APPARATUUR

De hierna volgende apparatenlijsten geven een overzicht van de specificatie van de in het proces voorkomende apparatuur. Achtereenvolgens worden behandeld :

- warmtewisselaar - waater

- reactor

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Apparaadijst voor wanntewisselaar.

APPARAAT NO. Benaming Type Medium : - pIjpen - mantelzijde

Capaciteit Uitgewisselde Warmte [kW] Warmtewisselend oppervlak [m2

]

Abs. druk inluit in bar :

- pijpzijde - mantel zij de

Temperatuur in/uit inDe :

- pijpzijde - mantelzijde

Speciaal te gebruiken materiaal Overig : - pijplengte in m - mantel diameter in mm Katalytische Verbranding

Hl

voorverwarmen/koeler met vaste plaat

schoon gas afval gas 49.1 54.6 1 1 70/55 25/40 S tainl eessteel 1.5 760 23

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Apparaatlijst voor de reaktor

Apparaat No : Benaming, type Absolute druk in bar temperatuur in /(max.)/ uit in

oC

Inhoud in m3 Diam. in m Lengte in m Bijzonderheden Speciaal te gebruiken materiaal Katalytische Verbranding R1 Buisreaktor 1 40 /(300)/ 70 2,800 1,000 3,565 Honeycomb-reaktor Binnenwand van titanium

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Apparaatlijst voor de waaier

Apparaat No: Benaming, type Rendement Te verpompen medium Capaciteit in kg/s Dichtheid in kg/m3 zuigdruk/ persdruk in bar (abs) Temperatuur in/uit in oC Vermogen theor./prakt. in kW Speciaal te gebruiken materiaal Katalytische Verbranding P1

Straight-blade waaier 0.50

gereinigd gas naar de schoorsteen 3,22 1,078 Pa 1,0/1,1 55,0/56,8 2,93/5,86 ~.,_. __ .~~ binnenwand

~ilan~

. ,

.

\

n

25

I

I

I

I

I

I

I

I

.

n

'\

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

8. KOSTEN

8.1. Investering

Kosten-schatting voor een vertikaal vat (kolom) diameter

=

1,0 m, lengte

=

3,656 m, dikte

8 mm van staal. Het vat kosts

=

tI. 50.000,- f)

'q

'

Kosten-schatting voor de warmtewisselaar, overdrachtsoppervlak

=

54,6 m2 en stainless steel }

~

P

(AISI304) shell, stainless steel (AISI304) tube. De warmtewisselaar kosts

=

tI. 85.000,-

J

Kosten-schatting voor de katalysator bed. Pd-black,

>

40 m2 per gram, fl. 548,- per 10 gram·/i f-t?r1

J

'(

'

Er is 60 gram Pd-black nodig. De katalysator kosts

=

fl. 3300,-

-t

~4')U!..

je.

~

Kosten-schatting voor de waaier. Aanzuigcapaciteit

=

10000 m3_/h.

_1"

~J1~:~J:,

~

De waaier kosts

=

tI. 22.000,-

rP"

Er

i

~

nodig voor coating. Ti-poeder, 99,9 %, tI. 130,40 per 50 gram. Dikte van de coating

=

200 Jlm. Er is 13,5 kg Titanium nodig. De coating kosts

=

tI. 35.000,

-Totaal inkoop-kosten van de apparaten is (PCE):

= tI. ( 50.000

+

85.000

+

3.300

+

22.000 )

=

tI.

160.300,-Schatting van vaste kapitaal-kosten : PCEr

~ Apparaten-verstijfsel 0,40

~ Pijpen 0,70

fa

Gereedschappen 0,20

~ Elektriciteit 0,10

Totaal fysische plant kosten (PPC) :

=

160.300 x (1 + 0,4 + 0,7 + 0,2 + 0,1)

=

tI. 385.000,

-Is

Ontwerp en ontwikkeling 0,30

Ie

Onzekerheden 0,10

Vaste kapitaal

=

385.000 x (1 + 0,3 + 0,1)

=

tI.

539.000,-Werk-kapitaal bedraagt ongeveer 5 %.

Totale investering = 539.000 x 1,05 = tI. 566.

000,-8.2. Operationeel kosten

Jaarlijks operationele kosten :

De opstelling draait

=

365 x 95 %

=

345 dagen/j = 8280 uur/jo

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Variabele kosten : 1. Utiliteit kosten

elektriciteit ( tI. 0,16 /kWh)

(140 kWh/dag) = 140 x 345 x 0,16 Vaste kosten :

2. Onderhoud, 5 % van de ~~s:e kapitaal

c:

3. Vier mannen per dag,tlC!.4

d

oo

g

,:?er man per jaar

4. Capital charges, 15% v

·

é

vaste kapitaal \

5. Verzekering, 1 % van de vaste kapitaal Vaste kosten

Jaarlijks operationeel kosten

27

Katalytische Verbranding = tI.

7750,-=

tI.

26.950,-=

tI.

96.000,-=

tI. 80.850,-= tI. 5. 390,-= tI.

209.190,-=

tI.

217.000,-schone lucht P1 aft-gas -" ... ".-...•.•... _._ ...•.. _ ....•.•.•. _-_ ... _--_ .... _--._.-" ; ; l t ; i

i

[-.-.-._._.-.-.-.-._.-.-.-. . . "._._.-.-._._.-._._._._.-1

i

i

! ! '._.-.-.-.-.-._.-._.', ; . . , i I j ! V3

i !

!

; ; i

!

r-~-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-!

!

!

!

i

i

I ; ;

i

l

r---~

~

---:1

1

1

Z

V1

~i

:, -,---'

---Li~

'

, R1 TIA) I'>", H1

(

r m~-

,

:

, .~ . : ! H2 ---~/ _----I---B1 j ; I ~ i ; : I :

,---_i~--·

-

-

~

----n

1

1

'

::::::::~

.

~

_

j

c!J

_B2 j I ;

l

; ; l ;

l

; j TIA) 17/ ~I

(2)

V4 ; t._._ ... ____ ... ___ . _____________________ . ___ j '-. _______ . _________ ._._._. ___________________________ ._ .. J L •• _____ ••• _ ••• _._._._._._ ••• _ •••

J

Figuur 9.1 : Processchema met de belangrijkste regelingen

---I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

9. PROCESREGELING

De belangrijkste regelingen zijn terug te vinden op het processchema in figuur 9.1. Deze regelingen zullen per procesonderdeel behandeld worden.

9.1 De regelingen in de reaktor

In de reactor zijn er 1 temperatuurregeling (TC) en 2 aanwijzendee temperatuur alarm (TIA).

Temperatuurregeling (TC)

meting regeling doel

: de temperatuur in het midden van de reaktor

: aan of uit de electriciteit verwarming (H2)

: constant houdend van de temperatuur op 300°C

Aanwijzende temperatuur alarm (TIA)

Als de stroming van boven naar onder van de reactor unit wordt geleidt, werkt de alarm alleen voor de tweede bed katalysator (82). De temperatuur van de tweede bed katalysator gaat omhoog door de warme stroming van de eerste bed katalysator (81). Na een bepaalde tijd is de temperatuur van 82 veel hoger dan de temperatuur van 81 (alarm staat aan). Daarom wordt de stroom omgekeerd te laten gaan, dus van onder naar boven. Hierin werkt de alarm alleen voor de eerste bed katalysator en het proces wordt omgekeerd.

()

9.2 De regeling in de ingaande stroom van het off-gas (stroom 1) I~.,vc

,

meting : druk in de ingaande stroom voor regelklep J

~

regeling : regelklep in de ingaande stroom van het proces

r-doel : constant houden van de druk van het proces

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

10. SYMBOLEN LIJST

Symbool Omschrijving

a Specifiek oppervlak

A oppervlakte

Bi Biot modulus, Bi

=

kmh/Dett

cp soortelijke warmte C concentratie d diameter d dikte de equivalente diameter di inwendige pijpdiameter do uitwendige diameter D diameter

D

e

diffusiecoëfficiënt Ds inwendige manteldiameter

E benuttingsgraad van het katalysator deeltjes E_A activatie-energ ie

G massastroom per oppervlak eenheid

h dikte h hoogte h warmteoverd rachtscoëfficiënt h partiële warmteoverdrachtscoëfficiënt hd vervuilingsfactor Hf reaktieenthalpie ~rHo298.15 reaktieenthalpie jf frictie-factor

i

h

warmteoverd racht -factor

k_f warmte geleidingscoëfficiënt van gas km gas-film stofoverdrachtcoëfficiënt kw warmte geleidingscoëfficiënt I lengte Is keerschotafstand L lente L pijplengte Mw molekuulmassa n aantal Np aantal pijpenpassages Pt hartafstand van de pijpen

P partiële druk

P druk (absolute, totale)

P vermogen

~Ps drukval buiten de pijpen

~Pt drukval in de pijpen Q _{hoeveelheid warmte} 29 Katalytische Verbranding Eenheid m2/m3 m2 J/(moI.K),J/(kg.K) mol/m3 , kg/m3 m m m m m m m2/s m J/mol kg/(m2.s) m m W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K) J/mol, J/kg J/mol, J/kg W/(m2_.K) mis W/(m2.K) m m m m g/mol m Pa, atm., bar Pa, atm., bar W

Pa, atm., bar Pa

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993

Ow

hoeveelheid warmte per tijd eenheid

r reactie-snelheid

rs heterogene reactiesnelheid

per eenheid van de reactie oppervlak

R gaskonstante

t tijd

t temperatuur

T temperatuur

flT_m gemiddelde temperatuurverschil Us snelheid van het gas buiten pijp Ut snelheid van het gas in pijp U totale warmteoverd.coëfficiënt

J1

dynamische viscositeit

J1w

viscositeit aan de wand

V

volume

ç

conversiegraad À de warmte-geleidingscoëfficiënt <l>v volumestroom <l>m molstroom <l>m massastroom p dichtheid 17 dynamische viscositeit

cr

omtrek

30

Katalytische Verbranding

W mol/(m3.s), kg/(m3.s) mol/(m2opp. s) J/(mol,K) s

C, K

C, K

C, K

mis mts W/(m2.K) Pa.s Pa.s m3 W/(m.K) m3/s mol/s kg/s kg/m3 Pa.s m

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Katalytische Verbranding

11. LITERATUUROVERZICHT 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

A. S. Dryakhlovand S. l. Kiperman, Kinet Katal, 22 (1), (1981) 188-193.

T. M. Shaprinskaya and Vu. I. Pyatnitskii, React Kinet Catal Lett., 23 (1-2), (1983)

107-111

T. M. Shaprinskaya and Vu. I. Pyatnitskii, Kinet Katal, 26 (5), (1985) 1122.

M. A. Buzanowski and R. T. Yang, Ind. Eng. Chem. Res., 29, (1990) 2074-2078.

J. M. Coulson, J. F. Richardson, Chemical Engineering, vol 6, (1991).

J. M. Smith, et. al., Fysische Transport-verschijnselen t, DUM-Delft, (1986).

C. M. van den Bleek, A. W. Gerritsen, Dictaat voor het college Reaktorkunde t, T. U. Delft, (1989).

C. M. van den Bleek, A. W. Gerritsen, Dictaat voor het college Reaktorkunde It, T.

U. Delft, (1988).

Th. W. de Loos, H. J. van der Kooi, Toegepaste thermodynamica en fasenleer, T.

U. Delft, (1990).

J.

M. Smith, H. C. Van Ness, !ntroduction to Chemica! Engineering Therrnodynamics, McGraw-HiII, Singapore, (1987).

A. G. Montfoort, F. A. Meijer, A. van den Ham, Handleiding voor het maken van

een Fabrieksvoorontwerp, T. U. Delft, (1989).

A. G. Montfoort, De Chemische Fabriek deel fA, T. U. Delft, (1989).

A. G. Montfoort, De Chemische Fabriek dee!f8, T. U. Delft, (1990).

R. H. Perry, D. Green, J. O. Maloney, Perry's Chemica/ Engineering Handbook, 6de

editie, Mc Graw Hili Bokk Co, (1984).

Chemiekaarten, 8ste-editie, 1992-1993.

R. Raman, Chemica! Proces Computations, Elsevier Applied Science Publishers,

London, (1985).

R. K Shah, E. C. Subbarao, R. A. Mashelkar, Heat Transfer Equipment Design,

Hemisphere Publishing Co, New Vork, (1988).

K J. Mc Naughton, The Chemica! Engineering Guide to Heat Transfer, Volume 1: Plant PrincipIes, Mc Graw Hili Publications Co, New Vork, (1986).

W. E. Nieuwenhuis, J. G. Wijers, Werktuigen voor de Procesindustrie, Deel 6:

Warmtewisselaars, T. U. Eindhoven, (1980).

R. C. Weast, Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Inc., 73ste editie, (1992).

R. M. Duncan, B. H. Hanson, The Selection and Use of Titanium, Oxford University

Press, (1980).

J. Beckman, Series G: Design of Equipment, Volume 1: Plant Design and Cost Estimating, AICHE, New Vork, (1986).

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 KoJalytische Verbranding

Bijlage 1 : Bijlage 2 : Bijlage 3 : Bijlage 4 : Bijlage 5 : Bijlage 6 : BIJLAGEN

Informatie over CATOX en REGENOX. Specificatieformulier Warmtewisselaar.

Eureka Programma voor de berekening van het ontwerpen van de warmtewisselaar.

STATOES. PAS-programma; met behulp van dit programma wordt de conversie als functie van de concentratie-profielen in de

katalysatorwand berekend.

BENUTGRD. PAS-programma; met behulp van dit programma wordt de waarde van de benuttingsgraad van het katalysator deeltje, E, door 'try and error' benaderd.

FVO. PAS-programma; met behulp van dit programma worden de massa- en warmtebalansen in de reactor tijdens het proces gesimuleerd.

I

I

Fabriek Voor Ontwerp 1993 Bijlage 1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

_{Informatie over CATOX en REGENOX}

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Topsae CATOX

talytic Combustion Technology

for Air Purification