Ureum-fabricage volgens het wagoe-proces

adres:

Jac.v.Beierenlaan 27, Delft.

Schimmelpenninckstraat

6,

Delft.

datum:

I.

II.

lIL

IV.

V.

VI.

VII.

VIII.

INLEIDING

THEORETISCHE

ASPECTEN

VAN

DE

UREUM

SYNTHESE

DE

MASSABALANS

DE \4ARl1

TEBALANS

BEREKENING VAN

APPARATUUR

DE STOOMBALANS

PROCES-VERGELjJK1NG

DE INVLOED VAN AMMONIAK IN HET STRIPGAS OP

DE WERKING VAN DE

'STRIPPER

BIJLAGEN I

+ 11

BIJLAGEN

111

LITERATUUR

GRAFIEKEN

I + 11

MASSA ... EN

vJARMTEBALANS;

FLOWSHEET •

PAG.

PAG.

2

- 8

PAG.

9 - 13

PAG.14 - 23

PAG~24

- 41

PAG.42 - 44

PAG.45 - 47

PAG.48

- 50

PAG.51 - 52

PAG.53

PAG.55

PAG.54

Onze dank voor de hulp bij dit proces voorontwerp gaat uit naar:

Mej.

J.

Koot.

Ir.

S.M.

Lemkowitz.

Ir.

A.G.

Montfoort.

Hr.

H.W.

Saeys.

I. INLEIDING.

Dit processchema bevat een ontwerp, votr een ureumfabriek met een produktie van 1500 ton ureum/pey dag; gebruik makend van een combinatie van het Strip- en het Heet -Gas- Recirculatie Proces.

De en en

grondstoff en van een proces zijn vloeibare ammoniak van 150 C 7.5 ata. en gasvormige kooldioxide van 15°Cen 5 ata. De ammoniak de kooldioxide reageren bij 1900C ~n 144 ata. tot ureum en water via ammoniumcarbamaat. De conversie per pass is 63.5% gerekend naar kooldioxide, het rendement van dit proces is 99.5%.

De bij de reactie vrijkomende warmte wordt in een cöndensor afgevoerd. De recirculatie van de niet omgezette grondstoffen geschiedt via een stripper bij reactordruk en temperatuur, en eèn carbamaatontleder bij lagere druk en temperatuur.

De gassen, die de carbamaatontleder verlaten worden met een turbo-compressor op druk gebracht en de stripper ingevoerd. Tijdens het doorlopen van de compressor wordt het gas op volioend hoge tempe ra-tuur gehouden, zodat condensatie iri de .compressor niet cptreed~.

De belangrijkste toepassingen zijn:

a. Dank-zij het hoge stiks'tofgehal te . en de gunstige fysische eigenschappen is ureum als kunstmest bijzonder aantrekkelijk. b. Ureum wordt gebruikt als grondstof voor de bereiding van

ureum-formaldehyde -harsen en melamine. ---...J . ,.

Ureum kan dienèn als moleculaife-zeef~ voor-het selectief

0,0-' - '

verwijderen van onvertakte koolwaterstoffen.

~ Bovendien wordt ureum sinds kort als strooimiddel gebruikt tegen gladheid, op vliegvelden (SchiphOl).

Men verwacht, dat de produktie tegen het' einde van 1970 ongeveer 31 miljoen ton/jaar zal bedragen. (lit. 1, pg.4). De vraag zal dan in evenwicht zijn met het aanbod.

De Nederlandse producenten zijn:

(lit. 1,

pg.4). N.

s

.M. ~ UV ,,,,PW~ toni jaar D. S • M . 450 , 000 " Esso-Chemie Mekog-Albatros Totaal 180,000 ,132,000

"

"

ton/jaar.

{

• ( . • ("> ( . I , I C'S~ ~-<;".' l,-,-~

C

~ I

1'1"

1i!,'Y>,çL-(/)~,.1

IY--

__

c;;( _, i.,.

I

11. THEORETI SCHE ASPECTEN V AH DE UREUH SYN'l'HESF..

De vorming van Ureum uit ammoniak en kooldioxide berust op de volgende reacties. (lit. 2 pg. 1).' 2NH

3

(G) amr:lOniak <r.~ + CO

2

(G)

>

NH2COONH4(L) kooldioxide< ammoniumcarbamaat lfH2COONH4(L)

>

ammoniu~carbamaat ureum water

-l\H ₁

?

<---

NH2CONHCOllH2(L) + NH

3

(G)

+

6H

3

ureum biureet ammoniak

Deze laatste reactie tot biureet gaat ~n de reactor een rol spelen b~ temperaturen hoger dan 200°C en een lage partiële ammoniakdruk.

Het evemJicht van ammoniak en kooldioxide met carbamaat stelt zich

-R

:s~...:.~

? reeds vanaf kamertemperatuur zeer snel 'in.

De dehydratatie tot ureum van carbamaat~ is een evenwichtsreactie die zich afspeelt in de vloei bare rase en \vaarvan de snelheid, voor het bereiken van evenwicht, sterk afhangt van de temperatuur. Als illustratie dient onderstaande figuur. (lito

3

pg. 26).

0,& 200

Oe.

T

o,s 'i ~ 0,4 o oJ <:) 2.-'0.. 3 '+ 5 ---,.. ~ r e. rI.

Ook carbamaat is een verbinding, die al'leen kan bestaan in de vloei-bare of vaste fase. Aan de hand van fig.(1) blijkt, dat het dehydratatie evenwicht zich beneden de 1200C zeer langzaam instelt, zodat in dit temperatuurgebied er sprake is van een ~ier componenten systee~ nl.

ureum, carbamaat, water, ammoniak, koold.ioxide.

(5

stoffen - 1 evg~~1.t). Boven de 'BOoC is bij een

verbl~ft~d

van de reactanten van twintig

minuten zeker sprake van het bereiken v~n ee~ evenwichtsinstelling,

~

_~

ZOdat

dan het systeem ternair is.

(5

sta,ffen - 2 evenwichten).

~ . ~+ L-~

~ De druk van dit systeem is dan eenduidig vastgelegd als functie van '/1~ bv. temperatuur, brutosamenstelling en vullingsgraad.

~

3

\51"";(·'

~ -'''-_ ..--==~

r " _V'-"-~,... ,'cJ.x". _/tt

I

'

,

1f4.- ,I/.L., ~ A, ,-.. ,-:lt- ....

::=,..<

I~/c., ~

t:,

c)

Experimenten, die zijn l~i tgcvoerd dodr onze werkgroep (Goedegebuur ) in het laboratorium van anorg. c~emie in een cailletetbuis opstelling

!

geven de resultaten van grafiek I. ,Deze experimenten waarbij gewacht werd tot evenwichtsinstelling, geven drie uiterst belangrijke feiten:

a. De druk waarbij juist alles vloeistof blijft is sterk afhankelijk van de bruto NH

3

/C02 verhouding.

b. Deze evenwichtsdruk is sterk afhankelijk van de temperatuur • .6p/.öt is :: 4 atm./oC.

c., De NH

3

/C02 verhouding in het minimum drukpunt is een functie van de t emperatuur.

Het verloop van de druk als functie van de ,NH

3

/C02 verhouding bij constante temperatuur, wijst in de richting van een azeotropisch gedrag.

De onderstaande methode van het plaatsen van meetgegevens van dit tenaire systeem in een ruimtefiguur, geeft ons een duidelijker beeld van het azeotropische gedrag en voorspelt tevens iets van de gas-samenstelling behorende bij een vloeistofsamenstelling.

Als grondvlak van de ruimtefiguur dient" een vierkant met hoekpunten CO

2

,H

2

0,

N

2

H

6

,

Ureum, zodat iedere bruto vloeistof- of gassamenstelling

in dit vlak weergegeven kan worden. (lit.4 pg.

35 ).

Als verticale as is gekozen de druk, zodat de ruimtefiguur geldt voer een constante temperatuur.

Onderstaande figuren zijn dodrsned~ evenwijdig aan het grondvlak. CO 2 U C02 . U l+g fig.2 I 1 H 0 2 fig.3

Een doorsnede evenwijdig aan het vlak CO

2/N2H

6

vertoont het beeld

van fig.4, "waarin de

L---

L+G overgang ~erneten is in de cailletet-buis opstelling.

C

O

2 fig.4

,

..:.r

fr u "azeotropisch punt':

Nodel~nen lopen niet in dit vlak.

De verbindinGsI~n van deze"azeotropische"punten b~ constante tem-peratuur, noemen wij de toprichellijn.

Een piojectie van deze lijn op het grondvlak wordt gegevon in

onder-staande figuur.

fiG' ') U

~--~~~---,

,

H 0

2

De keuze van de procesconditie~ is door ons aan de hand van de cailletetbuis metingen, het fasenmodel en de kinetiek gegevens ge-daan.

De temperatuur is gekozen op 1900C, in verband met een voldoend snelle kinetiek. De reactordruk is dan minimaai b~ een NH

3

/C02 verhouding in di vloeistof van drie. (grafiek

r).

Het fasenmodel yoorspelt ons, dat de gas samenstelling waarmede de reactorvloeistof in de top van de reactor in evenwicht is, ook eenNH

3

/co

2 verhouding zal hebben

van drie.

pe

in

1969

verschenen Hussische literatuur verschafte de gegevens voor een cC'mputerbel'ekening, waarvan de'. re sul ta ten overeenstemden

met de door ons opgestelde conditius . ( l i t . 5 ) (bijlager) •

I

---

5---

'

Een theoretische achtergrond van de in het proces opgenomen apparatuurr a. Reactor.

b. Condensor. c. Stripper.

d. Carbamaatontleder. e. Compressor.

---- a. Reactor.

De reactievergelijking: ammoniumcarbamaat ----~)ureum + water

<

geeft duidelijk aan de invlced van water op de ligging van het even-wicht en dus op de conversie.

De Russische literatuur geeft vergelijkingen, waarmede wij de invloed Van water op de conversie bij verschillende reactoromstandigheden kUnnen berekenen. (lit.6 en

7)

(bijlage 11).

Het water komt de reactor in met het gas uit de stripper. Het per-centage water wordi volledig vas~gelegd door:

1. De temperatuur van de stripper. 2. De druk in de stripper.

3.

De NH

3

/C02 verhouding in het gas~ dat de stripper verlaat~ . Dit valt te verklaren _uit het feit, dat· het gas wat de stripper ver-laat op condensatie temperatuur is. De H

20/C02 verhouding in de reactor ligt dus vast en hiermede ook de conversie.

De reactor is opgebouwd als een cascade van bellenwassers, de vloeistof die zich onder in de reactor bevindt is in samenstelling ver van

het evenwicht af en zal dus op lagere temperatuur dan 190°C moeten zijn, wil het juist vloeibaa~ blijven bij de vastgelegde druk van 144 ata. bit wordt bereikt door de vloeistof vanuit de condensor op 1700C

de reactor in te voeren. (praktijkgegevens D.S.M.). De vloeistof door-stroomt de -reactor in opwaartse ric~ting en zijn samenstelling loopt naar de evenwichtssamenstelling, die bov~n in de reactor wordt be-reikt. De vloeistof temperatuur zal hierbij moeten stijgen van de 170°C

\

1

invoer naar de 190°C top van de reactor, immers de "dampdruk" van de vloeistof, die voortdurend rijker,aan ureum wordt, moet 144 ata. I blijven en dit wordt alleen bereikt met een temperatuurverloep over

- 0

de reactor van + 20 C.

De vloei stof doorloopt in samenstell~ng _de reactielijn van Kaasenbrood

en bereikt in de top van de reactor een

~unt

van onze toprichellijnx (lit.2.pg.

Reeds uit de reactiewarmte van de optredende racties bleek, dat er een overschot aan warmte is, die wij moeten afvoeren. Wij voeren de '

warmte buiten de reactor af in een hoog geplaatste condensor. De overmaat gas van NH

3

,

CO2 en H20, die riiet in de reactor condenseert kan in de condensor zijn warmte afstaan ~n als cen ammoniak~ en

waterrijke vloeibare carbaTlaat stroom de reactor onderin binnenstromen. De reactor kan nu autotherm werken, de warmte die nodig is voor:

a. Dehydratatie van carbamaat tot ureum. b. Opwarmen van de ammoniak voeding. c. Verdamping van water.

d. Opwarmen van de do6rstromende v16eistof,

wordt geleverd door de vorming van carbamaat en oploswarmte van ammoniak, van een gedeelte van het gas dat door de reactor stroomt. Een in bedrijf zijnde reactor is wat de warmte produktie betreft stabiel, de verklaring hiervoor is:

Eem momentane overproduktie aan warmte, doet de vloeistof temperatuur stijgen waardoor bij constante ~eactordruk meer gas afgevoerd wordt nacir de condensor. De warmte afvoer in ~e condensor neemt dus toe. Een momentaan afnemen van de warmte pröduktie doet de temperatuur van'de vloeistof dalen, zodat bij gelijke reactordruk meer carbamaat condenseert. De warmte afvoer in de condensor neemt dus af.

---- b. Condensor.

De gasstroom, die vanuit de reactor de condensor binnenkomt is op een thermodyna~isch condensatiepunt d.w.z. irt ~verlwicht met een vloeistof die UEeum bevat. Een thermodynamische condensatie viridt in feite niet plaats, want de tijd nodig hiervoor is niet beschikbaar. Het instromende gas koelt enkele graden af en condenseert dan bijna azeotropisch d.w.z. binnen een klein temperatuur traject. De ammoniak-en waterrijke vloeibare carbamaat

stroom~

bij 1700C vanwege de gravi-tatie kracht de reactor binnen.

Het inerte gas wordt onder in de condensor gespui~.

c. Stripper.

De stripper is uitgevoerd als een drietal in serie geplaatste pijpen-bundels, waarvan iedere pijpenbundel uit, een zodanig aantal pijpen bestaat, dat de v~oeistcf komende van de top van de reactor als een film in de pijpen naar omlaag kan stromen.

In tegenstroom met de vloeistoffilm gaat het stripgas,.dat na het verlaten van de stripper de reactor onderin binnenkomt.

De benodigde hoeveelheid warmte wordt ingebracht met condenserende stoom om de pijpen. (lit.9,pg.1~7).

De werking van de stripper kan als volgt worden verklaard.

1

C

amc.

Wij veronderstellen onder in de strippei bijna evenwicht, zodat wij de vol~ende ver-gelijking op kunnen stellen. (lit.9,pg.118).

K

eq.

C

amc. 2

C

~. a.

C

arnc. fig.6.

C

amc.

K

eq.

Het gas onder in de stripper bestaat voornamelijk uit kooldioxide zoda~ de partiaalspanning vari ammoniak vrij klein is.

De vloeistof, die in evenwicht is met deze gassamenstelling zal weinig carbamaat bevatten, zoals uit bovenstaande vergelijking blijkt.

De korte verblijf tijd van de vloeistof in de stripper (!40 sec.) zorgt voor:

a. Hydrolyse van ureum vindt bijna niet plaats. b. Van biureet vorming is nauwelijks sprake.

Voor de goede werking van de stripper is het stof-en warmt~transport bepalend, zodat met bovenstaande constructie een korte verblijf tijd aangehouden kan worden.

x De door Kaasenbrood gehanteerde topricflellijn is totaal verschillend van onze toprichellijn. De toprichellijn van Kaasenbro~d is de ver-bindingslijn van niet in evenwicht zijnde vloeistofpunten van minimale

---- d. Carbamaatontleder.

De vloeistof dle inkomt is afkomstig van de stripper;en het gas,

dat de carbamaatontleder verla~t wordt de turbo-compressor ingevoerd. De carbamuatontleder, die w~ strippen met de totale

koOldioxide-voeding kan men beschouwen als een stripper b~ lagere druk en tem-peratuur.

Deze lagere temperatuur maakt een langere verblijft~d van de vloei-stof mogel~k, zodat de carbamaatontleder een andere constructie heeft dan de stripper.

---- e. Compressor. (lit.10).

Het gas wat de carbamaatontleder verlaat en als stripgas dient in de stripper wordt gecomprimeerd in een turbo-compressor. Met het doorlopen van de trappen van de compressor komt het gas op hogere druk, zodat het gas een bepaalde temperatuur moet bezitten wil het niet condenseren.

De minimale temperatuur welke het gas nog kan hebben voordat het gas condenseert hangt af van:

1 . De druk wa2-ronder het gas zich bevindt. 2. De NH

3

/C02 verhouding.

3·

De H

20/C52 verhouding.

De dauwpunts-metingen worden uitgevoerd in de proeffabriek van Chemische Technologie (T.H. Walthie) en geven het verband tussen

de condensatie~temperatuur en de gasdruk van het stripgas,' dat in

de compressor gecomprimeerd Hordt.

(f,'rafiekII)'-De corrosieve eigenschappen van het gas(?) en de c~ns~ructie

moge-l~kheid van de compressor betekenen dat ~et gas een maximale tem-o

111.

DE

MASSABALANS.

Zoals eerder vermeld is de fabriek or.tworpen voor een produktie van 1500 ton ureum/per dag.

BU

8000 bedrijfsUren per jaar geeft dit een

jaarlijkse produktie van 500,000 ton ureum. De grondstoffen zijn: o gasvormig CO 2 van 5 ata. en 15 C, o vloeibaar NH 3 van 1.5 ata. en

15

C. De produktie bedraagt:

1500 ton/dag = 11.36 kg/sec 0.289 kmol/sec ureum. Aan grondstoffen is nodig:

CO

2 : 0.289 kmol/sec + verlies, NH

3 : 0.578 krool/sec + verlies. Het verlies aan CO

2 en

NH

3 stellen_w~ op respectievelijk 0.001 kDol/sec

en 0.002 kmol/sec. Dit zijn de hoeveelheden, die niet via de recirculatie kunnen worden teruggevoerd. Ze worden met de ureurooplossing uit de

carbamaatontleder afge~oerd. Wij komen hierop later nog terug. Totaal dus nodig aan grondstoffen:

CO

2

.

.

0.290 kmol/sec 12.76 kg/ sec, NH

3 : 0.580 kFlOI/ sec 9~86 kg/ sec.

D~ze bovengenoe~de hoeveelheden zullen de reactor ingevoerd moeten worden.

--- Reactor.

De NH

3/C02 verhouding in de reactor is gekozen op

3.

Om de conversie-graad te berekenen is naast P,T,L(NH

3

/CÓ2) ook nodig te weten de verhouding H

20/C02=W:(lit.5).

Het water komt de reactor binnen met het gas uit de stripper. Het watergehalte in deze s~ripgassen is afhankelijk van de NH,/C0

2 verhouding. We kunnen H

20/C02 vinden doo~ iteratie. Eerst stellen we W=O

>

x=0.69 De totale invoer in de reactor is dan:

CO 2 : 0.289 • 100/69 NH

3

:

3 •

0.419 0.419

kmol/~ec,

1 .257 kmol/ sec.

De niet om~ezette hoeveelheid aan react~nten wordt uiteindelijk via het recirculatie systeem w~er in de reactor teTuggevoerd.

De onomgezette hoeveelheden. zijn: 0.419 1 .257 0.289 0·578

°

.130 kmol/ sec, 0.679 kmol/sec.

---10---Bovendien wordt de totale CO

2 voeding via de stripgassen inGevoerd. De samenstelling van het gas uit de stripper wordt dan:

CO

2 0.420 kmol/sec, NH

3 0.679 kmol/sec.

Het gas uit de stripper is op condensatietemperatuur. Voor de omstandig-heden in de stripper en voor een NH

3/C02 is 1.6 in het gas, vinden we een H

20 percentage van 10.3%. (bijlageI). De gassamenstelling is nu: NH 3 55.2% CO 2 34. 57~ H 20 10.3% Dit betekent een H

20/C02 verhouding van 0.3 en hiermede een conversie x=0.635. We voeren weer een berEkening llit als bovenstaande en vinden opnieuw H

20/C02=0.3. Voor de reactor mogen we aannemen: L=3,w=0.3 en een conversie van 63.5%.

We hebben al gezien, dat in de reactor als vloeistof wordt ingevoerd,

~H3 : 0.580kmol/sec = 9.86 kg/sec. Als gas wordt uit de stripper aangevoerd:

-CO

2 0. 289 . 100/63.5 =0.455 kmol/sec, N~3 3 . 0.455 - 0.580=0.785 kmol/sec. Dit gas is ook verzadigd aan H

20; het bevat 10.3% H20. De hoeveel-heid water bedraagt dan:

0.142 kmol!sec.

De reactieproducten worden als vloeistof afgevoerd naar de stripper. In de vloeistof is de onomgezette CO

2 aanwezi~ais ammoniumcarbamaat en de overmaat NH

3 is opgelost. De vloeistofsamenstelling is nu:

ureum 0.289 kmol/sec

amm. carb 0.166 kmol/sec

2

.

0.166 = .0.455 kmol/sec

0.289 = 0·431 kmoljsec.

Gas dat in evenwicht is met bovenstaande vloeistof wordt naar de condensor afgevoerd, waar het wordt gecondenseerd en weer wordt t eruggevoerd naar ~e reactor. De hoeveelheid heeft geen verdere ge-volgen voor de massabalans; ze wordt vastgelegd door de warmtebalans. Daarom kunnen wij bij de massabalans de reactor en condensor opvatten

Voor de samenstelling van het gas geldt NH

3

/C0

2

=3

.

Uit de Russ. l i t t .

volgt dat bij een H

2

0

gehalte van

20

.6%

inde vloeistof het H

2

0

ge-halte in het gas

9.1%

bedraagt. Nu i~ het ~atergehalte in de vloei-stof

25

.5

%

;

het H

20 gehalte in hét gas kan men dan schatten op:

H

2

0: 25.5/20.6.9.1

=11.3

%

.

De gassamenstelling van het condensorgas wordt dan:

CO

2

22.2%

NH

3

6

6

.5

%

H 20

11 .3%.

De hoeveelheid gas die naar de condensor ~aat, volgt uit de

warmte-balans. (zie berekening warmtebalans).

De

CO

2

0.

280

kool/sec

1

2.32

.

kg/sec NB

3

0.840

kmol/sec

14.28

kg/sec H

2

0

0.14

3

kmol/sec

2.57

kg/sec.

vloeistof die de condenser verlaat bestaat uit: amm.carb.

0.

28

e

kmol/sec

21

.

84

kg/ sec NB

3

0.280

kmol/sec

4

.7

6

kg! sec

H

2

0

0.14

3

kmol/sec

2

.

57

kg! sec.

REAC'l

'on

.

IN

UIT

gas vloeistof gas vloeistof

-kmol/s k ~... "~i .::> <- kool/ s kg/s kHloI/ s kg/ s kmol/ S kg/s

U.

0.

289

17

.

36

A.C

0.280

2

1.84

0.166

1

2

.

95

NE"

0

.

785

13

.3

5 0

.

860

14.62

0.840

14·

28 .

0.4

55

7

.7

3

)

CO

2

0

.

455

20

.

02

0

.

280

12.3

2

B

2

0 0

.1

42

2

.

56

0.143

2

·5

7

0.143

2

.

57

0·431

7.

76

TUTAA

L

74

.

96

kg/s

.74

.

97

kg/s Stripper.

De vloeistof uit de reactor komt in de st+ipper~ Aan de stripper

is de eis gesteld ~at

90%

van de NB

3

en Ç02 verwijderd worden. Er komt in als vloeistof: ureum

0.28

9

kmol/sec amm.carb.

0.16

6

kmol/sec· NB

3

0.45

5

krnol/sec H20

0.

431

krnol/sec.

Gestript wordt:

amm.carb. 0.149 kmol/sec NH

3 0.410 kmol/sec.

Ook water zal voor een deel overgaan naar het gas. Deze hoeveelheid is nog niet bekend. De uitgaande vloeistor bevat dus:

ureum amm.carb. 0.289 kmol/sec 0.017 knol/sec 0.045 kmol/sec x kmol/sec.

Het gas dat de stripper verlaat gaat de reactor in. Het gas dat onder in de stripper wordt gevoerd, komt van decarbaf.'laatontleder. Het bevat in de ontleder teruggewonnen NH

3 en CO2, tevens de CO2 voeding. 0.077 kmol/sec

0.045 + 2 • 0.017 - 0.002

0.017 + 0.290 - 0.001 0.306 kmol/s'ec.

Dit gas zal bovendien water bevatten. We stellen, dat in de carba-maatontleder de damp verzadigd is aan water. We moeten daarvocr weten de water-dampspanning van de ureumoplossing, die in de ontleder komt. In Fréj,acques vinden we voor ureumoplossingen de bijbehorende water-dampspanning. (lit.2pg.33).

Deze hebben we aangenomen; in werkelijkheid' zal door de a;;,nwezigheid van ~H3 en CO

2 de wa ter-:-dampspaniling minder zijn .

. Voor een ureumoplossing van onge~eer 70 gew~% vinden wij bij 1000C een partia21druk voor water van 0.5ata.

De totaal druk in de carbamaatontleder is 5 ata, het uitgaande gas bevat dus 10% water. De hoeveelheid water die de carbamaatontleder verlaat is: 0.1 (0.077 + 0.306) = 0.038 kinol/sec.

Het uit de stripper gaande ga~ is reeds bekend, de hoeveelheid water in de uitgaande vloeistof vinden we nu uit de waterbalans over de stripper.

H

20 in ~ H20uit.

In vloeistof uit gaat aan water: H

20 : 0.431 + D~038 - 0.142 = 0.327 kmol/sec.

Samengevat levert dit de massabalans van de stripper op pg. 13.

---Carbamaatontleder. (Zie voor de berekening het hoofdstuk apparatuur).

De ingaande vloeistof ureum O. '289 amm.carb. 0.001 H

20 0.2Fl9 Het inkomende stripgas

is de uitgaande vloeistof van de stripper: kmol/sec

kmol/sec knol/ sec.

bestaat uit zuiver CÛ 2

SrrTlIPPlm.

IN

TJJT

e;as vloeistof {!as vloeistof

kmol/s kg/s . krr.ol/ s kV/" ,;

.

.

' l~ r:IO 1/ s : kg/s knel/ s kp;/ s

U.

0

.

289

17

.

36

0.289

17.36

A

.

C

0.166

12

.

95

0.017

1.

33

NH

3

0

.

077

1 .

31

0

.

455

7

.

73

0

.7

85

13.35

0.045

0.76

CO

2

0

.

306

13.46

0

.4

55

20

.

02

F

_·2

0

0

.038

0.68

0

.

431

7.7

6 0.142

2

.

56

0.327

5

·

89

TOr_Tl\AL

₆₁

_.

₂₅

_kp;/ s

61

.

27

ke/

s

IN

UI~

bas vloeistof eas vloeistof

k _mO.L1 1 I _{s kr,/s knol/ s kg/s kncl/s kg/s kmol/s kg/s}

u.

0.289

n.3

6

0

.

289

1

7 •

3

(i

A.C.

0

.0

17

1.

33

0.001

0

.

07

NE

3

0.045

0

.

76

0

.077

1.

31

CO

2

0

.2

90

12.76

·

0.306

1

3

.

~G

H

2

0

0

.

327

5.

89

0.938

0

.

68

0.289

5.20

TO'l

'AA

L

38.10

kg/s

38

.

08

kg/s

IV. WARMTEBALANS.

BÜ het berekenen van de warmtebalans zDn de in-en uitgaande stromen steeds vergeleken met de omstandigheden ih de reactor. De uitgaande stromen hebben altDd de temperatuur en druk van het systeem. De in-gaande stromen nemen of warmte op of staan warmte af. Bovendien kunnen in het systeem reactiewarmtes en mcngwarmtes vrDkomen of worden ge-bruikt.

---De Reactor.

De reactor werkt autother~lJ d.w.z. er wordt geen warmte toe-of afgevoerd. Omstandigheden: (Keuze van de omstandigheden is gedaan aan de hand van de theoretische inleiding.)

o T=190 C. p=144ata.

De reactor in komen de volgende stromen:

1. Ammoniak van 7.5ata en 15°C wordt-via een pomp gedoseerd. Wanneer de temperatuurverhoging in de pomp wordt verwaarloosd komt de ammoniak

~n

de

r~actor

bD 144ata. en 15°C.

Fr n15 H190

A

11144

,

-

144

4249 9611 - 5362 k~al/kmol. De' toe te voeren warmte bedraágd:

Qw = Qm • ~H , 0.580 . (- 5362) ' - 3110 kcal/sec. 2. Het stripgas. 3. De Qw De De CO 2

NH

3 H 20

stripper werkt bD dezelfde omstandigheden als de reactor, dus =

°

kcal/ sec.

carbamaatstioom uit de condensor.

samenstelling van het gas naar de condensor was bekend: 22.2%

66.5% 11 .3%

We voeren voor de stroom CO

2 naar de condensor een variabele x in: CO 2 x krool/sec NH 3 3x kmol/sec H 20 . 0.51x kmol/sec.

Dit mengsel word~ in d~ condensor gecondenseerd en afgekoeld tot 170°C.

o

Als vloeistof uit de condensor komt bU 170 C en 144ata. amm. carb. x kmol/sec

x kmol/ sec 0.51x kmol/sec.

Dit mengsel moet worden opgewarmd tot 190oC. a. ammoniumcarbamaat:

C van vloeibaar carba~aat p

" " / gelUk aan 1.5 kcal/kg. (lit.11.pg.4 1 ).

Dus

AH

= C

P.

T I1 (M = mol. ge\4Ïcht).

p = 1.5 •

(+

20) • 78 =

+

2340 kcal/mol. Qw = + 2340x kcal/sec: b. ammoniak: 170

f

~H = 190 Cp,l dT C p,l ~H = 1.07 + 0.038 T/10 1.07 T + 0.0010 T2 0.0013 (T/10)2 ---- (lit.11.pg.36). 0.000004 T3 170 190 + 27.4 kcal/kg Qw + 466x kcal/sec. cO. water:

AH

C AT H p 360 kcal/kmol Qw 184x kcal/sec. o

Totaal aan warmte nodig om de carbamaatoplossing op 190 C te brengen: Q = - 2990x kcal/sec.

w

In het geheel is aan warmte nodig:

Q 3110 - 2990x kcal/sec.

,.w

De vrUkomende reactie-en oploswarmtes zUn: a. carbarnaatvorming:

Het gasvormige CO

2 uit de stripper reageert voor een deel in de reactor met NH

3 naar carbama1;l't. De 'rest gaat naar de condensor.

Hoeveelheid gevormd carbamaat per seconde: CO 2 g in - _{CO 2} guit

0.455 - x kmol/sec.

Voor de reaçtiewarmte vinden we volgens Kaasenbrood, AHr = - 28,000 kcal/kmol.

De vrUkooende warmte is:

Qw = (0.455 - x) 1 28.000 kcal/s~c.

b. ureumvorming:

De reactiewarmte voor de ureumvorming is:

6.H

=

+ 3600 kcal/kmol.

r

De vrUkomende warmte is:

Qw

= -

0.289 • 3600 1040 kcal/sec.

c. Oplossingswarmte van ammoniak:

De hoeveelheid ammoniak die op moet lossen is:

NH . - NE . - NH .

3 ln 3 reactle 3 condensor

1.365 -2(0.455 - x) - 3x

De oplossingswarmte van ammoniak is:

Q

1 = 500 kcal/kmol. op .

De vrUkomende warmte is:

0.455 - x kmol/sec.

( l i

t.

11 • pg. 48) .

Q

=

500 (0.455 - x) = 228 - 500xkcal/sec.

w

d. Water-condensatie:

Niet al de waterdamp uit de stripper gaat naar de condensor. Een deel condenseert of verdampt in de reactor.

De condensatiewarmte van water bU 1800C is:

Qvrd.

=

478 kcal/kg (lit.12pg2139 ).

In de reactor condenseert:

0.142 - 0.51x krool/sec.

De vrUkpme~de warmte is:

Q\ol (0.142..:. 0.51t{) 18 . 478

1222 - 4388x kcal/sec .

. Totaal aan reactie en.oploswarmtes ko~t vrU:

Q

=

13,150 - 32,888x kcal/sec. w

De reactor werkt autotherm, de vrUkomende warmte moet dus gelUk zijn aan de verbruikte warmte:

3110 + 2990x = 13,150 - 32,880x 35,878x= 10,040

x = 0.280

Wanneer x dus 0~280 kmol/sec is, werkt de reactor autotherm, de vrU-komende warmte wordt afgevoerd via de condensor.

1i' FT.' ol, ':> _

gas vloeistof

kmol/s 1_g1 c'

I\. ,"/ . , kr~ol/ S kC/[-:

o.mrn. carb. 0.280 21

.

E34

NH 3 0.040 14.28 0.280

4

.

76

CO 2 0.280 12.32 H 20 0.145 2.

y

i

0.143 2.57

De warmtebnlans over de reactor is hieronder weergegeven:

REAC'l'OR.

carbamaatopl. verw. carbamaatvorciing. ureumvorming.

opl. warmte NH

3

•

ammoniak opwarmen. watercondensatie. --- De Condensor. In de condensor komt vr~: Q kcal/sec \,/ neg. pos . . 837 1040 '311

°

7

4994 ' 4900 88 4988

a. condensatie van' NH

3

en CO2 tot carbamaat: 0.280 • 28,000=7840 kcal/sec.

b. condensatie van water:

0.143 • 8604 =1230 kcal/sec. c. oplossingswarmte van ammoniak: 0.280 • 500 = 140 kcal/sec.

d. afkoeling van het mengsel naar 170bC:

Deze hoeveelheid is gel~k aan de hoeveelheid, die in de o

reactor nodig i s om het mengsel op· te warmen van 170 C naar

190°C.

2990x = 837 kcal/sec. De totaal vr~komende warmte bedraagt:

~w

=

100

_4]

kcal/sec.

--- De Stripper.

D~ inkomende vloeistof en het inkomende g~~ hebben beide identieke

p en T als in de stripper. Het inkomende gas komt uit de compressor

en is gekoeld tot 190°C.

Omstandigheden: T 190°C.

P 144 ata.

De warmte nodig in de stripper bedraagt:

a. ontleding ammoniumcarbamaat;

0.149 • 28,000

=

4172 'kcal/sec.

b. desorptie van ammoniak:

0.410 • 500 205 kcal/sec.

c. waterverdamping:

0.104 • 8604 895 kcal/sec.

Totaal moet worden tcegevoerd:

~ = 5272 kcal/sec.

Deze w~rmte wordt toegevoerd in de vorm van stoom, die condenseert om de pijpen van de stripper. ,

--- De Carbamaatontleder.

De omstandigheden zijn:

T 100°C.

P 5ata.

De warmte nodig in de carbamaatontleder bedraag't:'

a. De ontleding van ammoniumcarbamaat:

0.016 . 28,000

=

448 kcal/sec.

b. De desorptie van, ammoniak:

0.045 • 500 23 kcal/sey •

c. De waterverdamping:

0.038 • 9720 369 kcal/sec.

d. Het opwarmen van kooldioxide:

De CO

2 komt in bij 15°C.

Volgens Din (lit.13);

c

0.215

p C 0.223, p

Q

=

Q

. T . C ,- 0.290 • 44 . w m p -237 kcal/sec.

Totaal moet worden toegevoerd:

~ = 1077 kcal/sec. _I kèal/kgOC. ~cal/kgOC. , 85 • 0.219 = Bij 15°C. Bij 100°C.

°

°

B~ het afkoelen van de inkomende oplossing van 190 C naar 100 C komt warmte vrij.

Voor een oplossing van ureum in "later. wordt C gegeven doortl_{lit.14.pg.192"}

p

bij 25°C:

C = 0.9988 - 0.006494W + 0.00003025w2 -

0~0000001286W3,

P

waarin W

=

gew.% ureum.

Wanneer wij deze vergel~king gebruiken bij onze omstandigheden, vinden wij voor C

=

0.65 kcal/kgOC.

p

Voor vloeibaar ammoniumcarbamaat vinden we: (lit.11.41.). C = 1.5 kcal/kgOC.

p

Voor ammoniak geldt: (lit.11.pg.36.). AHI

=

190 (C dT

=

C A '1'

100)' P p . .

Dit geeft:

C

=

0.14 kcal/kgOC •. p

Voor de vloeistof geldt nu:

-

(Q

•

C

+

C I = D.U+W p.u+w Q m.a.c. C p.a.c. + Q m.NH3 •

C

p.NHz

)/Q

m.tot.

~p

°

C

pl = 0.68 kcal/kg C.

.

)

Bij het afkoelen van de oplossing komt vrij: ~

=

0.68 • 25.33 • 90

=

1550 kcal/sec.

Nodig aan warmte in de carbamaatontleder is berekent op: (pg.18.).

Qw = 1:077 kcal/sec.

In de carbamaatontleder blijft over aan warmte:

Qw 473 kcal/sec.

Op de eerste schotel (theoretische) van de carbamaatontleder, willen we geen hogere temperatuur hebben dan 100°C i.v.m. de waterverdamping.

B~ hogere temperatuur bevat het uitgaande gas teveel water. B~ de

apparatuurberekening (hoofdstukV) is berekent, dat op de eerste schotel 2/3 deel van de carbamaat en NH

3 de oplossing verlaat. Aan warmte nodig op de eerste schotel:

a. ontleding van carbamaat en desorpt~e van ammoniak: 2/3 • 471 ==

-3

1 4kcal/sec.

b. de hoeveelheid NH

3 en CO~ die de eerste schotel verlaat

(0.062 kElol/sec) is ook verzadigd aan H 2

0.

Het percentage water volgt uit lit.3.pg.34. en bedraagt 10%. De war6te nodig voor verdamping van dit water is:

0.007 . 9720 68 kcal/sec. Totaal maakt dit:

~ = 382 kcal/sec.

deze vloeistof moet dus hoger zijn dan 100

C.

Q =~T. Q •

e

w m p

AT

=

382/35.33 • 0.68

=

22 oe.

De temperatuur van de vloeistof moet dus 1220e zijn. De vloeistof uit de stripper zal eerst afgekoeld moeten worden tot 122°C. Dit

geschiedt in een warmtewisselaar, tussen stripper en carbamaatontleder. Hierin moet worden afgevoerd:

Q"l

= Qm • C p-.-.:..-->..( 1:...9:o..;::O'---'-1~2~2.L) _=_1~1~7L.:0'__..;..;k:.::c.:::::.a..=.1L_/=_se:::..;c:..:...

De warmte, die nodig is om de rest van de carbamaat en ammoniak te desorberen, wordt onderin toegevoerd via e~n reboiler.

De reboiler zorgt er voor dat de carbamaatontleder isotherm werkt. In deze reboiler moet worden ingevoerd:

~w 1077 - 382 695 kcal/sec. ---De Compressor.

De compressor berekening is uitgevoerd aan de hand van de scriptie van J. Blanker. (lit.10.).

De berekening van ·warmte-effecten in.de çompressor, is ondergebracht

in het hoofdstuk van de warmtebalarts. Enkele constructie berekeningen zijn ingedeeld bij de apparatuur berekening. (hoofdstuk V.).

Het gas, dat uit de carbamaarontleder de compressor inkomt heeft de volgende condities. e0 2 0.306 kmol/sec pC02 3.63 .ata. T 100°C. NH 3 0.077 kmol/sec pNH3 0.91 ata. T 100°C. H 20 0.038 kmol/sec pH20 0.46 ata·. T 100°C.

vlij comprimeren isentropisch tot een einddruk van 144ata., zodat de

eindtemperaturen van de afzonderlijke componenten uit hun T-S diagram afgelezen kunnen worden.

De partiaal drukken zijn uitgerekend aan de. hand van de mol. verhouding. Wij kunnen dan onderstaande tabel dan opstellen.

N1:I _{. 3} CO 2 11/) Qm kg/sec 1. 31 13.46' 0.69 T oe 100. 100. 100. 0 H kcal/kg 462. 190. 638. 0 P ata. 0.91 3.63 0.46 0 T oe 450. 400. 540. e H kcal/kg G55. 245· 854. e P ata. 26.2 104.6 1-3.2 e

A.

H

kcal/kg 193

55

216

Voor het gasmengsel is het isentr~pische enthalpie verscfuil van

voor-en na compressie:

~ 1.31 . 193 + 13.46 •

55

+ 0.69 . 216 7

, Hisentr. = 1.31 + 13.46 • 0.69 = 3.9 kcal/kg.

Hiermede is de adiabatische opvoerhoogte van de compressor bekend,

deze is gelijk aan het isentropische enthalpie verschil in kgfm/kg. (lit.10~pg.14 À H_lsen , t _r. 73.9 .4.19/9.81 . 1 000 = 31,500 kgfm/kg.

Per trap kiezen wij een opvoerhoogte van 3150 m., praktijkcijfers geven een opvoerhoogte per trap van 2500 t ot 3600 m.

Dit betekent een compressor met 10 trappen en een effectief vermogen van:

fe~nt • AH

=

15.46 . 73.9 • 418

=

4788 kw.

=

1142 kcal /sec.

Ui t de bovenstaande tabel blijkt , dat tussenkoel ing in de compressor noodzakelijk is wil de temperatuur van het gasmengsel tijdens compressie

niet t eveeloplopen.

De maximale temperatuur, die in de conpressor bereikt mag worden is gesteld op 210oe, dit is gebaseerd op corrosie- en constructie overwegingen.

De minimale temperatuur van het gas wordt bepaald door de druk.

(hoofdstukII.blz.8,grafiekII.).

Bij de verdere berkeningen is onderstaand schema aangehouden.

TRAP. :KOELEN TOT.

1 t/m 5

5

--~ 19.2 a{a~ 170

e

6 tlm 7 19.2 --~ 37.8 ata: 180 oe 8 t/m 10 37.8

--~144.

ata~

190 oe

De isentropische compressie met de tussenkoeling wordt nu voor iedere

component afzonderl~k in tabalvorm weerge~cven.

VOorl NH : AH per trap

1

9

.

3

kcal/kg.

- -

--

-

-3--T

RAP

IN

F

"i n P;8 S

0"

YOFLU; TOr:' HUi t AFG. ~'!AIü!r;:'l';

kC(cl/l:C C oe

kcnl/k~

kcal/kg 2

3

4

5

6

7

8

9

10 10 . _Ul t

462

100 481 501 520 522 522 526 525 531 529 528

135

165

190 200 202 210 210 225 225 225 170 170 180 180 190 190 190 190

Totaal wordt afgevoerd 148 kcal/kg.

VOOR e0 2.:._ A H per trap -5.5

TRAP IN

H.

T

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10 10 _Ul ' t ln gas kcal/kg

oe

1

90

195·5 201 206.5 212.0 211.

5

" 213.5 212·5 213.5 212·5 211 •

5

100 123 1<12

170

199 199 200 201 201 202 203 kcal/kg. KOJ~LEN TO'i'

oe

170

170

180 180 190 -190 190 190

Totaal wordt áfgevoerd 41.0 kcal/kg.

503 503 507 506 512

510

509

505

17

19

15 20 13 21 20 23 H '+ AFG.WARMTE Ul v kCRl/k~ kcal/kg "206.5 206 208 _207 208 207 206 205

6

" 3.5

6.5

5.5

6.5

6.5

6.5

VOOR

_H22i.

AH

pcr trap

2

1

.6

'

kcal/kg.

THAP IlJ H. '}' YU}~LJo.;H 'l'()~' ]I

uit .I~F'G. ~-/1 .... ~~r<T2

ln {!;[l s

kco,l/J: {i oe oe kcal/kg kcal/kg

1

638

'100

2

659.6

150

:5

681

.

2

200

4

702.8

250

170

666

36.8

5

687.6

222

170

665

22.6

6

686.6

222

180

670

16.

6

7

691

.

6

235

180

668

23.6

8

68').6

232

190

670

19.6

9

691

.6

240

190

668

23.6

10

689.6

250

190

665

24.6

10

uit

686.6

255

190

660

26.6

Totaal wordt afgevoerd

1

94

kcal/kg.

Voor de compressor moeten wD een totaal aan warmte afvoeren:

~

___

1~.~3~1~~1~4~8_+~1~3~.~4~6~~4_1_+~0~.~6~8~.~,~1~9~4

___

8~7~8

__

=k~c~a~1!~s~e~c~.

De aandrDving van de compressor geschiedt met een stoomturbine.

Het overall rendement van de compressor stellen wij op

0.6.

Dit betekent, dat wij aan de compressor moetert toev6eren:

p =

114

6

2

₌

₁₉

₂₀

_kcal/sec =:

7998

kw,. as O. o

De stoomturbine wordt aangedreven met oververhitte stoom van

400 C

en

44

ata. Onze turbine is van het tegendruk principer zodat voor de uitgaande

o '

stoom de omstandigheden

,

1

33

C en

3

ata. genomen zijn.

V. BEREJ<:EHING VAN

AP1ARA'J'UUR.

A De _{aromoniakvoedingspomp P1'} (de notatie in het flowsheet), B De reactor

R2•

C De condensor _H3' D De stripper _T

4·

E vJarmtewi s se laar H 5, F De carbamaatontleder T 6, G De turbine C 7, H De compressor _CS' ---- A. De ammoniakvoedingspomp P1'

De pomp moet 0.5S0 krool/sec

reactor pompen,

9.S6 kg/sec vloeibare ammoniak in de

Het volume van ammoniak bij 7.5 ata. en 15°C bedraagt:

3

V

NH

_.

₃

= 0.0016 m /ke. De volume stroom is:

Q .= 0.0156 m

3

/sec.

v

De persdruk is 144 ata., terwijl de zuigdruk iets hoger is dan de dampspanning.

Uit lit.15 blijkt, dat het beste een plunje~pomp gebruikt kan worden. De capaciteit van een dergelijke pomp i~:

Q = S • A , n/60

m

3

/sec.

v

waarin S slaglengte van de plunjer,

A zuigeroppervla~.

n toerental per minuut.

Stel de plunjerdiameter 0.2 m. en de slaelengte 0.8 m. Het volume, dat verpompt wordt per slag is ~an:

-3

3

V I _{s ae}

=

25 • 10 ro. _. Is het toerental n = 40 t/min.

~

= 16.5 • 10-

3

m3/sec.

Een plunjerpomp met bovengenoemde eigenschappen zal dus voldoende zijn, Het is ook mogelijk twee kleinere pompen of een dubbelwerkende pompte gebruiken.

Het effectieve vermogen van de pomp moet · zijn:

P =

Q . p

=

230 kw. e v

Bij een rendement van 0.5 geeft dit:

P

0.5

De reactor is een verticale c~lindTische autoclaaf, waarin

zeef-platen z~n aangebracht. De reactanten worden onderin ingevoerd,

namel~k vloeibare ammoniak~ stripgassen en het carbamaatmengsel uit

de condensor.

In de reactor nemen we voor de berekening propstroom aan.

Het reactorvolume wordt gedeeltelijk ingenomen door vl6eistof.

Door de vloeistof borrelt gas vanuit de stripper, hetgeen voor een

groot deel naar de condensor gaat.

De vloeistofstroom bedraagt:

Q _m

=

45.80 _• kg/sec.

Met behulp van lit.5. vinden we voor de dichtheid van de vloeistof:

PI

=

1025

~g/m3.

De verblijf tijd van de vloeistof im de reactor moet volgen uit de reactie-snelheid.

De temperatuur onderin de reactor is 1700C en bovenin 190oC.

Uit lit.3. zien we dat na 15 min. de evenwichtsconversie ongeveer is bereikt. (bij 170°C na 20 min. , bij 1900C

Voor 't. 15 min. is het reactorvolume:

V Qm·

=

Q .•

v

45.80

V

=

1025 • 15 • 60

=

40.2

De gasstroom do6r de reactor bedraagt:

Q

=

0.265 m3/sec.

v

na 8 min. ) •

..

De opstijgsnelheid van het gas in de vlo~istof is moeilijk te berekenen. We hebben daarom een verblijf tijd geschat van:

"C

=

3

min.

Volume ingenomen door het gas: V

=

0.265 •

3 •

60 = 47.7 m

3 •

Het totale reactorvolume bedraagt: Vreactor = 90 m

3

•

Dit volume is gelijk aan:

V = 1/4 •

TI .

D2 • H ,.aarin D. = diameter reactor inwendig.

H = hoo~te van de reactor.

De wanddikte van de reactor is ook vRn·~elang: t

=

P • D /(

2

•

a-}

wac!rin p

=

144ata.

<r

= de toelaatbare spanning.

Hieronder volgen enkele mogelijkheden voor de reactor:

D H t

2.0 m 29 m 14.4 cm "?o5 In 51 m 10.8 cm 3.0 m 1;3 m 21.6 cm Hieruit lijkt de meest reeële keuze

D 2 m. H 29 m.

Boven de vloeistof in de reactor kunnen wij nog 1 m. reserveren voor het gas,dat de reactor verlaat.

In verband met de veiligheid kiezen wij de wanddikte t8 cm. De afmetineen van de reactor worden:

D = 2'rn. voor de inwendige diameter. H =30 ID. voor de hoogte.

t =18 cm. voor de wanddlkte.

De reactorwand wordt bekleed met een laag van 5 ~~.

R.V.S.

316 L.C. Ti stb. Ook is een tantaal bekleding misschien mogelijk, deze is zeer dun

aan te brengen doch zal waarschijnlijk duurder zijn.

G-- De Condensor. H3'

In de condensor komt aan warmte vrij volgens de warmtebalans:

bij de condensatie van het gasmengsel 1900C 9210 kcal/sec. bij het afkoelen naar 1700C 837 kcal/sec.

o

De warmte wordt afgevoerd door stIDom te produceren van 133 C en 3ata. e

1 deel:

Condenseren van het gasmèngsel bij 190°C. (in werkelijkheid 190- tot 175°C) Qw

m.

A • A T = 9210 kcal/sec 038500 k\ ....

AT 57°C

u

1000 wim 2 0

c.

'

Hieruit volgt voor het uitwissèlend oppervlak:

A

-

3

8 500 __ 675 2

- 57 - m •

2e deel:

Het afkoelen van de vloeistof van 190°C naar 170°C: 837 600 46 kcal/sec

=

3504 kw. 2 0 ' wim

c.

(lit.16.).

°c.

Hieruit volgt voor het uitwisselend oppervlak:

2

A = 150 m.

-Het totaal benodigde oppervlak wordt nu: A d

=

675 + 150

=

825 m2•

con ensoro

Waarschijnlijk zal in de condensor het gas eerst nog afkoelen naar

ongeveer 1850C. De warmte-overdrachtscoäfficient is dan lager.

Bovendien is nog stoomruimte nodig. We nemen daarom een extra

opper-vlak van 10%, hiermede wordt het totaal oppervlak:

2 Acondensor = 900 m.

De condensor wordt uitgevoerd als een vérticale pijpenbundel. Constructief

is een verticale condensor goedkoper, zèker wanneer de condensor

zeer hoog namelijk boven de reaótor is opgesteld.

Voor de pijpen kiezen we de afmetingen:

inwendige diameter: 25 mmo

uitwendige diameter: 33 mmo

Het aantal pijpen wordt gegeven door de formule:

n =

A/n. D . 1

waarin D diametOer.

Voor 1

1 lengte van de pijpen.

6

m. wordt het aantal pijpen:

_ n 1900 pijpen.

De diameter van de pijpenplaat wordt gegeve~ door:

D

plaat m

.

(steek) + 2

.

(1/2 pijp) + 3/ 2

.

(steek) waarin:

m factor, afhankelijk van de aantal pijpen bij opstelling

steek

van de pijpen in gelijkzijdige driehoek.

bij roestvrij staal geldt voor de steek

De diameter van de pijpenplaat wordt nu:

D I _{p aat}

=

2.21 m.

De wanddikte van de buitenwand van de condensor:

1.3 • D

-t

d' ° Ul wen 19

-7

t

=

p • D. _lnHen d-_{l::.Jg:l.-_ _} /2.(f' _{....,..-_ _ _ _ _ _}

=

3 2.21/2 _{-..,. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _} 1000 3.5. 10 m. _{_} --- D. De Stripper. T

4

.

De vloeistof ~it de reactor stroomt in de pijpen van de stripper als

een film naar beneden. Het gas uit de ontleder wordt in tegenstroom,

dus van beneden naar boven de,or de str-ipper geleid. Uit de massabalans over de ~tripper vtnden we:

vloeistof in: 45.70 kg/sec gas. in: 15.48 kg/sec. vloeistof uit:25.25 kgjsec gas uit: 35.93 kg/sec.

Naast de massastromen zijn de volumestromen van belang. Daarom is

het noodzakelijk de dichtheden van de diverse stromen te berekenen. Dichtheid van het uitgaande gas:

Van NH

3

bij 190 Oe en 144 ata. relatieve temp. relatieve druk 1.14 1. 30

hiermede verkrijgen we een compressibiliteitsfactor z

=

0.65. het molaire volume V =

z..

R . T/P = 0.17 m

3

/kmol.

mol. Van e0

2 bij 1900e en 144ata.

T 1';52 r Pr 1. 98 hiermede is de

z-

0.85 molaire volume V mol

=

0.23

Voor water:hiermedekunnen wij deze methode niet toepassen. Water is bij 144 ata. en 140 Oe vloeibaar.

Daarom nemen wij aan dat waterdamp zich gedraagt als een ideaal gas. Het volume van het water wordt gesteld op 1'~3% van het geheel.

(het gas bevat 10.3 mol.% H

₂

O) Het volume aan NH

3 is 0.785 0.17 0.133 m

3

aan e0 2 is 0.455 0.23 0.105 m 3 Totaal aan

NH

3 en e02 0.238

3

m •

Het volume aan

H

20 is: (10.3/8

9.7)

..

0.238 0.027 m 3

• De totale volumestroom is dus:

~/

Q

=

0.265 m~ sec. v

Dit betekent voor de soortelijke massa: / 0.785 • 17 + 0.455

p

g.

u

i t = Qm Qv 0 • 265 . 44 + 0.142 • 18 --135 k / g m • 3

Dezelfde berekening kunnen we toepassen voor het inkomende gas. We vinden dan:

170 kg/m

.

3

•

Dit gas bevat relatief meer e0

2 en zal dus zwaarder zijn. De dichtheid in de stripper neemt van onder naar boven af.

Om een goede film in de stripper te verkrijgen over de gehele lengte van de pijpen, is het nodig om de stripper in meerdere delen uit te voeren. Dit omdat h~t vloeistofdebiet naar beneden toe aanzienlijk afneemt.

---29---Voor de gemiddelde stromen in de drie delen krijgen we:

1e deel Q 2e deel Q 3e deel Q De dichtheid van 140 kg/m3, Ook de dichtheid Bovenin Onderin m.l. 1 42 kg/sec. Q ·m.g.1 32 kg/sec. 35 kgf sec. Q. :!J. ₂₅ kg/sec. m.l. 2 m.g.2 m.l. 3 28 kg/sec. Q m.g.3 18 kg/sec het gas nemen we

150 kg/m3 en

gemiddeld in de drie delen respectievelijk:

160 kg/m

3•

van 1 1 de vloeistof 1025 kg/m3• 1100 verandert in de stripper. lit.5.

Met behulp van

lit.

l~

.

kunnen we de

fil~dikte

berekenen.

Over een elementje dl in de stripper kunnen we een krachten-balans

opstellen voor de stationaire toestand.

<.In>

;%

~

~.

~

~

• 0 0 o. • • • o. 0 0 •

~

• 0A '" r .

~

dl. 0 " ~ • 0 • 0 • • 0 0 0 • • • • ~ • • • "

~

_/

t

_Iv

~

g / f l f l l ' r 2

-1\.

(r - m)1 dl + gewicht vloeistof

?g

fig.6. 1rq

=

schuifspanning. 2

.1T(r -

m)

dl gewicht gas 2

1:'

0 . 2 •

1\.

r •. dl + dp/ dl •

1f.

r • dl

kracht L--)wand drukval • opp.

We verwaarlozen hierbij de ktacht van het gas op de vloeistof.

Uitwerking van de vergelDking geeft:

"CO _Pl (m - m2/2r)

+~g

(r/2 - m + m 2' /2r) - dp/dl r/2. LO (fg -dp/dl) r/2 + (2r m - ' m2)/2r

(~\

-

~

g) Is rn « r dan:

1:'e

=

(f'g - dp/dl) . r/2 + m . (~\ - ~g) rn = 't0 -

(fg -

dp/dl) • r/2

Pl -

~g

Verder geldt voor de schuifspanning 'tO:

'tO = 'P . 1/2.

~l' v~

'

.waarin

Voor de drukval geldt

dp/dl = 4 • F • L/D. lnw. vg.1 vg.2 2 v g ' F = frictiefactor v l= lin.vloeistofsnelheid

In vg.3 is D. de diameter van de gasstroom, dus D. = 2(r - m).

lnw. lnw.

Het i s nu mogelijk om met de vergelijkimgen 1,2 en 3 de waarde van

m te vinden door iteratie.

Voor het eerste deel van de stripper:

Qml 42 kg/sec. Qmg 32 kg/sec~ PI 1035 kg/JIJ 3_•

r

g 140 kg/m 3_• Qvl 40.6 10- 3 m3/sec. Qvg 0.229 m3/sec.

De stripper wordt uitgerust met pijpen van een inwendige diameter

van 25 mmo

De filmdikte meet ongeveer 1 mmo zijn. Uit de berekeningen zal blijken,

dat vI dan ongeveer 0.6 m./sec is. Dit is ook i.v~m. de contact tijd

een redelijke snelh~id.

Als eerste aanname stellen wij m = 10- 3 m.

Bij vI is gelijk aan 0.6 m/sec volgt hieruit voor het aantal pijpen:

: volume-stroom door een pijp. n = Q I

/n·

D m vI 0.04

0

6

/

1\.

0.0025 • 10-3 • 0.6 = 860. v. . 1 0

-6

3/

Q I . . 47.1. III sec. v. • P1JP Q .. 0.266. 10- 3 m

3

/sec. v·g·PJJP v = 0.64 m/sec. g

De viscositeit van het gas wordt met behulp van lit.18. gesteld op 3 • 10- 5

N

S/

Dit betekent voor het Reynolds getal van het gas:

. Re = 75000. g

Voor een ruwheid van 10- 3 volgt uit lit.16.pg.32.: .

4F = 0.024.

De drukval·wordt hiermede:

dp/dl =(4F/2(r - m) ) • 1/2 ?~( De berekening vantà

De hydraulische diameter is:

d =

4 .

slo

=

4

m. Hiermede wordt Rel = 5000.

v 2 _ 30.4 N/m2 per m. g

'Yll is hier aangenomen als zijnde: 5 . 1 0 -

4

Ns/m2. lit.18.

Uit lit.16.pg.32. volgt weer dat:

4 .

F

=

0.04.

Voor de schuifspanning vinden we:

T

= 1.86 N/m?

Bereken we nu net verGel~kinG 1 de filmdikte dan wordt deze:

1.86 - (140 - 30.4) • 0.006 1 34 10- 3 1 34 .

m 895 =. • n ~ = • mm •

We voeren nu de berekeninG weer uit voóf m = 1.34 mmo Dit geeft weer voor v

l

=

6.6

m/sec een aantal pijpen van n

=

615.

Uit de gehele berekening welke identiek verloopt aan voorgaande

vinden we dat de filmdikte inderdaad 1.4 mmo is.

Voor het tweede deel van de stripper·kan een analoge berekening worden

opgezet.

Doordat ?g hier hoger is, zal de filmdikte kleiner zijn. (zie vg. 1).

Na iteratie vinden we een filmdikte van 1.2 mmo

Het aantal pijpen is 585.

Het derde deel van de stripper bestaat uit 550 pijpen.

De filmdikte is 1 mmo

De contacttijd in de itripper zal ongeveer 40 seC~ moeten bedragen,

zodat de stofoverdracht kan plaats vinden. De stofoverdracht is in

de stri~per namelijk de bepalende stap.

Wanneer = 40 sec. , dan word~ de hoogte van de stripper totaal:

H

=1:.

v

=

40 • 0.6

=

24 m.

1

De snelheid van stofoverdracht is afhankel~k van de filmdikte.

We kunnen aannemBn, dat deze omgekeerd evenredig is met de filmdikte. De lengte van elk deel van de stripperafzond~rlijk is dus recht

evenredig met de filmdikte;

Wanneer 11, 12 en 13 de lengtes zijn van het 1e, 2e en 3e deel van de stripper, gerekent van boven naar beneden, dan:

11 12 13 -(1.4/3. 6 ) (1.2/3.6) (1 .0/3.6.) 24 24 24 9.3 m. 8.0 m • . 6.7 m.

Naar elk deel van de stripper wordt nu evenveel warmte gevoerd d.m.v. condenserende stoom.

Aan elk deel wordt toegevoerd:

Qw = 1/3 • 5272 = 1757 kcal/set - .7355 kw .

.... '.i

Om nu te controleren of de .warmteoverdratiht inderdaad niet bepalend

is, rekenen we het benodigde \.;.armte"-wisGclend-oppervlak uit, voor een deel van de stripper:

Qw U. A • AT = 73355 kw.

U

1000 W/m2oC lit.16.pg.85.·

er wordt nl. stoom van 220°C gebruikt. Voor het uitwisselende oppervlak vinden we:

2

A = 245 m •

Het oppervlak van het derde deel is het klei~st en bedraagt: A

3d

=

n

.11.

D • L = 550

.1\.

0.025. 6.7 290

r/.

Hiermede blijkt inderdaad dat de warmteoverdracht niet bepalend is

voor de· grote van het oppervlak v~n de pijpen. De gegevens voor de stripper worden dan ook:

kg/s kg/m

3

kg/s kg/m

3

mm. m.

-

-Qml

f

1 Q m[

?

_€I n lil L 1e deel 42 1035 32 140 615 1.4 9.3 2e deel 35 1060 25 150 585 1.2 8.0 3e deel 28 1080 18 160 550 1.0 6.7

De.wanddikte van de pijpen wordt:

144 • 25 • 10- 3

t = p • D inw./ 2 •

<r

2 • 1000 1.8.10-3 m. 1.8 mm.

corrosie-toeslag: 2.0

mmo

De uitwendige diameter van de roestvrij ·stalen pijpen wordt dusi

D

= 33

mm.

ui tw.

Ook de buitendiameter van de pijpenbundels kan worden berekend) aan

de hand van een handleiding van dhr. Saeys.

De diameter is: D

=

m • t + d + 1.5 t ~ie pg.?7 .) .• 1 e deel: n 615 m 26.03 D _pjjpenbundel 1. 30 m. 3e deel: n 550 m 24.37 _{Dpijpenbundel} 1 .23 m. ?e deel: n 585 m 25.14 D pijpenbundel 1. 26 m. --- E. Warmtewisselaar.

°

De vloeistof uit de stripper wordt hier ·afgeköeld van 190 C naar 122oC.

De vrijkomende warmte bedraagt:

Q

_w

=

_.

1170 kcal/sec

=

.4898 kw.

De warmte wordt afgevoerd door koel~ater in tegenstroom te verwarmen tot 133°C bij 3ata.

---~--Het warmtewisselend oppervlak wordt:

A

=

4898/U

. 6 T • m waarin

: U

600 / 20

w

m

C.

6. T = .80

°c

m

A

= 102m 2

V~or L=3 m is het aantal pijpen n=A/

(-IT.

D. L) waarin D=25 mrn. n=433

---y.

---

F.

De Carbamaatontleder.

T

6• lit.16.pg.32 • .

Dit is eén kolom met zeefplaten. Bovenin komt de vloeistof mit de

stripper de kolom binnen. Onderin de kolom wordt CO

2 geblazen.

De temperatuur bovenin de kolom wordt op 100°C gehouden. (zie warmtebalans)

,

°

De temperatuur in de rest van de kolom kan eveneens 100 C bedragen

door via een reboiler onderin de kolom warmte toe te voeren.

De druk in de kolom wordt op 5ata. gehouden.

Door het strippen met CO

2 wordt de overgang van het carbamaat en

de ammoniak naar de gasfase sterk bevorderd."

Het aantal theoretische schotels kunnen we berekenen m. b.v.' li t.19.

De dampspanning van NH

3

kan berekend werden als functie van de

con-centratie. (zie bijlage

rrr).

1e schotel:

De inkomende vloei~tof bevat:

Q'. =

3.04

•

10-3 kmol/kg •

. m. NH

3

Het gas dat de eerste schotel verlaat, is het gas. dat de carbam

aat-ontleder verlaat: CO 2 0.306. krnol/sec. NH 3 0.077 krriol/sec. H 20 0.038 kmol/sec.

De partiaal druk van NH

3 is:

pNH

3 = (77/421)

.

5 = 0.91ata.

-De vloeistof ,die de Ie schotel verlaat,is in evemlicht met het

-gas dat deze schotel verlaat. Als pNH

3

=

o..91,dan is de concetratie van NH3 in de uitgaande

vloeistof:

NH

3 : 1.0.5 . 10.- 3 kmol;kg.

o.p de eerste schotel is dus 2/3 van de totale NH

3 ontweken.

Wij nemen nu aan ,dat 2/3 van het ammoniumcarbamaat is ontleed en tevens 2/3 van de overmaat NH

3

.

-- 2e schotel :

Het gas~dat de 2e schotel verlaat bevat naast 1/3 deel van de

gassen die in de ontleder vrijkomen ook de Co.

2 voeding. Co.

2 : 0..295 kmol/sec. NH

3 : 0..0.26 kmol/sec.

Bovendien is het gas verzadigd aan water. De dampspanning van

water is bD deze omstandigheden

pH 2o. .= 0..5 ata.

(

zie de massabalans.) De NH

3 en Co.2 hebben dus samen een partiaal-druk van pNH

3 +pCo.2

=

4,5 ata.

Voor het gas van de 2e schotel geldt pNH

3

= o..

36

a

t

a •

De vloeistof,die deze schotel verlaat bevat derhalve

NH

3

=

0..45 -. 10.'""3 kmol/kg.

Na deze schotel is dan ontleedt 85% van de ammoniak en carbarnaat.

--3e schotel :

Het gas van de derde schotel bevat 15% van de te re-circuleren

gassen en de voeding van Co.

2• Co. 2 ~ 0..292 kmol/sec. NH 3

=

0..0.12 kmol/sec. De partiaal-druk van NH 3 bedraagt pNH

3

=

0..18 ata.

De verlatende vloeistof bevat :

-3

/

NH

3

=

0..25 • 10. kmol kg. ,

Nu is 92% yan het niet omgezette carban\it9.t en ;:,)51moniak teruggewonnen. 4e schotel van deze ~.291 0..0.0.6 schotel heeft kmol/sec. kmol/sec.

De partiaal-druk van NH

3 bedraagt :

pNH

3 = 0.09 ata.

De vloeistof die deze schotel verlaat

-3

/

NH

3 = 0.15 • 10 kmol kg.

Na de vierde schotel is 95% van de carbamaat en de ammoniak o.vergegaan naar de gasfase.

-- 5e schotel :

Het gas ,dat deze schotel verlaat bevat

CO

2

=0.291 kmol/sec. NH; =0.004 kmol/sec. De partiaal-druk van NH 3 bedraagt pNH 3 = 0.06 ata.

De uitgaande vloeistof bevat :

-3

/

NH

3 = 0.1 • 10 kmol kg.

Nog slechts 3% van de carbamaat en ammoniak is in de vloeistof aanwezig. Deze kleine hoeveelheid winnen wij niet meer terug, maar

laten wij achter in de uitgaande vloeistof. Dit is :

NH

3

_=

3/100 •

C.077

= 0.002 kmol/s.ec.

In. de ontleder z~n dan vijf theoretische schotels nodig. Afhankelijk

van de schotel-efficiency zullen 15 tot 20 werkelijke schotels aan-gebracht ~oeten worden.

Is de afstand tussen de schotels onderling 80 cm.,dan wordt de hoogte van de ontleder ongeveer 15 m.

De diameter van de Kolom wordt vastgelegd-door de gasstroom.

Deze bedraagt

bij 5 ata. en.100

Oe.

Bij een diameter van 2 m. ,zal de gassnelheid bedragen v = 0.7 m/sec.

g

De verblijf tijd van de vloeistof in de carbamaatontleder is afhankelijk van de hoeveelheid vloeistof op elke schotel en in de reboiler • . Het warmtewisselend oppervlak van de reboiler ,is :

2 A

=

ct

_w

/u .

T

= 2909/33

=

88 m •

De reboiler kan ''lorden uitgevoerd als een pijpenbundel ó \-lanneer in

de reboiler 1.5 m. vloeistof staat en op elkê schotel 10 cm, dan is de total~ hoeveelheid vloeistof in de ontleder

V 1 = 10 m

3

•

De volumestroom is:

Q

=

0.02 m3/sec.

v

Hiermede wordt de verblijf tijd: