De fabrikage van 60% salpeterzuur met zuurstof

o

o

o

.

o

·

o

adres:

I

~ .1 I. 0;

_.

-.

Laboratorium voor Cl1emische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

I

van

.

_______

~_:

___

1?~~~~~

__

~~

__

:!_:_~:

___

~~~J~_~!: ~ j ~!:

_

_____

___

_

_

________

.

... onderwerp: _______ ~ \Hn::~tR_:t ___________________________________________________ . _____________ _

Jan Stadelaarstraat 21 Kortenhoef Pijlstaartlaan 6 Vinkeveen

opdrachtdatum :. februari 1981 verslagdatum : augustus 1981

o

, "

o

.,.~

o

o

o

o

o

o

o

o

( ( ( ( (

c

o

o

o

o

o

technische hogeschool Lelft

l aboratorium voor chemische technologie

fabrieksvoorontwerp

ae fabrikage van 6u% salpeterzuur met zuurstof

H.

lJaamen Jan Stadelaarstraat 21 l24lGA Kortenhoef opdrachtaatum: februari 1~8l verslagdatum : augustus 1~8l J.C. Lanfermeijer Pijlstaartlaan 6 3645 GS Vinkeveen

( (

r

c

c

( (>

o

o

o

IhHOLJD samenvattinb konklusies en aanbevelinben inleiding

uitt=,augspunten van het ontwerp procesoeschrijvinb

opstarten

motivatie van het ontwerp

enkele benaQerin~en bij ae berekeninG van ae massabalans

de massabalans ae warmte balans

berekening van ae oxidatie6raaa van liO oereKening van ae konaensor n2l

berekening van de absorptie-sektie berekeninb van de stripper ~23 ae proceskondities

tabellen van massa- en warm tel:) troliieil apparatenlijst

specifikatiebladen

berekening gas-vloeistof samenstelling van ae konaensor H21

dimensionering van de ~tripper ~23 berekening van de stripper 123 stoomproduktie

turbines en kompressoren

beschrijving en listing van de komputer-programmals literatuur

3

4

:5

7 9 11 12

14

16 18 19 21 22 28

29

37 46 52 56

:57

59 61

63

83

- - - - -- - -

-

'-( ( ( (

o

o

o

- j

-lJi t fabrieksvoorontw'erp U:'VU) beschrijft het processchema

van een 8:-::.1p8 tcrzuurfabr'lek, Via", roi j l'l0x Gevormd word t door

verbranaing van ammoniak met zuurstof lUlt een

luchtscheidings-installatie) 6evo16o door absorptie. wer'brancünt, en absorptie vinden onder ~elijke druk plaats, waardoor de uitvoering van de

kompressor vereenvouaigu kan woraen. ue overhead van de absorptie-sektie worut beaeeltelijk teruLöevoerd naar de inlaat van de

veroranaingsreaktor. lloor aeze recycle kan de ~O _x -emissie beter

beheersCl woraen.

l\.ompu te rprobrallilila 's voor een ·l'l-5<J rekenmachine zi jn ontwikkeld

op basis van beschrijvin6en in ae literatuur van

ae

relevante

processen. hierdoor is ae massabalaLs redelijk snel en moeiteloos

op te lossen, OOk de aDsorptiesektie kan volledig worden door

gerekend. Met aeze pro~ramilla's is de invloea van proceskondities

en appara~taimensies op de fiÜx-spUi nagegaan. Aan de hand van

eni~e globale berekenin~en is eSl. optimalisatie van deze variabele

grootheaen uit~evoera. voor dlt geoptimaliseerde geval is explicie

oe massa- en warmtebalans opöelost en de apparatuur gespecificeerè

-( ( ( ( (

o

o

o

-4-ue preciese invloed van hÜ

2 Uit de recycle in het inlaatgas

van de reaktor dlO moet woraen onaerzocht voor een uitspraak kan

woraen geaaan omtrent de haalbaarheid van het proces.

ue komputerproLramma's in ae appendix voor een

fI59

zijn geschikt

om moeiteloos de massabalans op te lossen, ook de absorber kan

snel doorgerekena worden. het veraient aanbeveling met deze komputerprogramma's een uitgebrelaer onderzoek te doen naar de

invloea van proceskondities en apparaatdim~nsies op de massabalans.

uaarnaast kunnen ae programma's op anaere flowschema's worden toegepast, waardoor een betere vergelijking van fabrieksvoor-ontwerpen mogelijk is.

riet is gebleken, dat de ~Ü -emissie in dit ontwerp beperkt kan

x

worae~ zonaer investerin6en in een hOx-zulverinbsinstallatie.

Veruer kan de emisSie zonQer arastische ingrepen aangepast worden door de verhoudinéS zuurs tof! amIlloniak;.te veranderen. Op een

variërende koelwatertemperatuur en weersomstandigheden kan dus een adequaat antwoord begeven woraen. uaarnaast is het voordelig

zoveel mogelijk zuurstof naar ae oXlaator

HIv

te sturen, een

minimale hoeveelheid zuurstof lS nOdib als stripgas van de

salpter-zuur produktstroorn. uit ae berekeningen volgt verder, dat de invloed

van de temperatuur afn~emt biJ daling op het aantal theoretische

schotels in de absorber. Ue schotelafstand heeft relatief

( ( ( ( (

r

o

o

o

o

o

- - - .

-5-I NL::-:;IDIlJG

Salpeterzuur wordt in de i ndustri e hoofdzakelijk in twee

kwali tei ten Gebruikt te weten zwak (50 - 60%) en sterk (meer

dan 95~~). Het zwakke zuur wordt gebruikt bij de bereiding van

anorgani sche nitraten, terwi j l het sterke zuur nodi g i s bij

de produktie van organische nitraten en nitro-verbindinGen

voor kleurstoffen en explosieven. Een groot deel van alle

salpeterzuur wordt gebruikt bij de produktie van kunstmest.

In dit fabri eksvoorontwerp wordt een proces beschreven voor

de produktie van verdund salpeterzuur .

Er zijn chemisch gezien twee wegen voor het bereiden van

salpeterzuur. Enerzijds kunnen vrije stikstof en zuurstof

uit de lucht met elkaar reageren, anderzijds kan amoniak

geoxideerd worden , waarbij stikstoioxide wordt gevormd. Verdere

oxi dat ie en absorptie in water geeft salpeterzuur. Vorming van sikstofoxide uit de lucht vereist zeer hoge t emperaturen.

Bij dit proces wor dt gebruikt gemaakt van een elektrische

boog. Daarna wordt snel afgekoeld, waarbij het evenwicht

wordt ' inGevroren' . De grote hoeveelheden energi e die voor dit proces nodig zijn, maken het onaantrekkelijk ten opzichte

van de verbranding van amoniak.

Thermodynamisch gezien bestaat er bij de oxidatie van

amoniak een zeer sterke voorkeur voor de vorming van stikstof.

-

'

---Door gebruik te maken van een katalysator (Pt /Rh) kan bij

t emperaturen van rond de 9000C met verblijf tijden ,\a

t

:-l o-4

tot 10-

3

sekonde een rendement van ongeveer

96~ be~

eikt

\:J'orden. Allerl ei process'kn zijn ontwikkeld in de loop der t ijden, waarbij de druk i n het proces varieert van laag

(1 atm), midden (

3

atm) tot hoog ( 8 atm). De belangrijkste

voordelen van het proces onder verhoogde druk zijn, dat de absorptie-sekti e aanzienlijk verkleind kan worden en dat een

sterker zuur gefabriceerd kan worden. Het gas uit de absorber bevat nog NO

x' Deze stikstofoxiden zijn gi f t ig en veroorzaken fotochemische smog. Van overheids-wege worden da~rom zeer strenge eisen aan de NO -emissie

x

( ( ( (

c

o

o

o

-6-V2n de absorptie- sektie, v~rlaging van de procestemperatuur

in de 2e sektie of verhoGing van de druk. Daarnaas -t >-)~.; taan

er speciale reinigingsiDstallaties van het absorber afgas.

In dit fabrieksvoorontwern _~ wordt een la~e _u NO _x -emissi e

bcreil~t dour het afgas van de absorber terug te voeren naar

de oxidator. In nlaats van lucht wordt zuurstof als voeding

Gebruikt, zodat de hoeveelheid inert gas (N₂) die in de loop oxidator-absorber-oxidator word-t ingevoerd zeer klein is. Daardoor is de hoeveelheid gas die gespuid moet worden

( ( ( ( ( f

c

o

o

o

-7--....

:8

capatiteit van de te bouwen fabriek is in navolging

v~"'..n 3::11 t en Ze e gers vas tges telcl op 100.000 ton HlJO" ) 6~; w/v per jaar bij een effektief aantal bedrijfsuren

v~n 2008 per jaar (91.3%).

3ij de gekozen bedrijfskondities betekent dit een verbruik

V2.n:

66461 ton zuurstof ( +5~; stikstof) per jaar 16919 ton

a~oniak

Der jaar

21705 ton proceswater per jaar.

Ui~gegaan is van de beschikbaarhei d van zuurstof met 5~;

sti~stof in de gasvorm en met een t emperatuur van 2000

bij een druk van 1 bar. De zuurstof kan betrokken worden van

een z~u~stcffabriek. Hoewel zuurstof met een lager stikstofgehal

-;'.Àr.stig i s voor de HO,,-emis:::;i e, zal dit ook ten koste gaan van

""-Ge ?rijs van de grondstof (zie verder het hoofdstuk proces

-~cndities) . Amoniak wordt ook aangevoerd per pijpleidi !g in

een vloeibare vorm met een temperatuur van 18,7°0 bi j 8 bar _

( -~le~ ". 1_ -~oc1 Kpun"t ' ) .

=::e fa ;)r iek produce ert een aanzi enl i j~~e hoeveelhe i d afvalwarnlte

C~der normale proceskondities wordt 4110 k~ warmte aan het

~oelwater afgestaan. Bi j een gemiddelde temperatuursstijging

van het koelwater van 2000 naar 4000 betekent dit een

verbrui~ van ongeveer 50 liter koel water per sekonde.~

De uitstoot van NO per ton salpeterzuur is 2,52 kg. Deze

x

ui tstoot ligt onder de norm van 3,3 kg per ton HN0

3, zoals

die geldt voor West Duitsland en Frankrijk (

1).

De emissie kan

zonder buitensporige investeringen worden aangepast door de

verhouding zuurstoi/amoniak van de voedingsstromen te wijzigen

(zie ook het hoofdstuk proceskondities). Dat betekent ook, dat

aan de emi ssi e- eisen kan worden voldaan als de temperatuur van

het koelwater oploopt (bij warm weer bijvoorbeeld). De kon

cen-tratie van het NO in het spuigas is bij de gekozen

proces-x

kondi t ies 20.000ppm. Extra voorzieningen zullen dus nodig

zijn om deze koncentratie tot een aanvaardbaar niveau terug

te orene;en.

Verdere uitgangspunten zijn dat het gas uit de absorptie

-toren wordt teruggevoerd naar de reaktor-inlaat, zodanig

dat de arnonic.k-koncentratie i n de reaktor onder de explosie

t

( (

c

f (

o

o

o

-8 -·,,·orë.-: .":CSDlliCt.

~a~r~aaat vindt niet ~oals bij ~mit en Zeegers kompressie

Jlaats tussen de atmosferische verbrandig van het amuni ak in de rea~tor en de H0

2-absorptie in de toren. Voordeel van de

;~oceskonficuratie die in dit FVO wordt besproken, is dat

~~ d~uk van het recycle-gas ni et teruggebracht hoeft te worden

::~ar é~n bar in een exnander me~ de nodige energieverliezen.

::a:::~st enerziebespc:.rinGen is in een proces onder één druk

J0~ ~en kleinere kompressor voldoende. Ook aan de materiaal

-2ise~ van deze kompressor worden minder hoge eisen gesteld,

o~dat in principe geen nitreuse gassen gekomprimeerd behoeven

~e worden (corosieve eigenschap; en).

~n principe bestaat de voeding ui t zuurstof in tegenstel l ing

~~~ ~et goedkopere luc~t, omdat dit de hoeveelheid spuigas

en dus ook de hoeveelheid i;~x tot aanvaardbare proporties

:er1J_;-~~engt •

C~dat de overall reaktie bij de bereiding van salpeterzuur

3terk exotherm is , zal netto veel warmte vri jkocen. Gedeeltelijk r.

~o~d~ dit teruggewonne~ in de vorm van hoge druk stoom (4l0UC,

-~o -:Jar) . J)eze stoom l~an gecruik~ worden voor de opwekl~ing

van elektricit eit of wordt direkt doorverkocht aan afnemers van -1

--Juiten. (2,l.J3 kg.s ).

3i~ de opzet van het ont~erp is er van uitgegaan dat er voldoende koelwater aan~ezi; is. Zo ni et, dan zal er gedacht

~oeten worden aan de bouw van koeltorens.

~_{ae hoeveelheia koelwater aie noaig is voor de kon ensatie van} - d

de s toom uit de turbine M5 is on~eveer

30

liter per sekonde. De totale hoeveelheid is aus dl" liter per sekonde.

l. ( ( f (

c

c

10

o

o

() - ':1 -_ )ROC:~SJ3E3CmnJV:U;G

~e vloeibare amoniak on~2r een druk van acht bar wordt

verda:::-::Jt ir. de 1tfélrPlte,:rissel 2.2.:' (kondensor) II2 en de

schotels 6, 7, 8 en

9

i~ tcre~ T20. ~e amoniak wordt als

kcelmidiel ~ebruikt om konde~3atie-, reaktie- en mengwar~te

af te voeren. na verda;-:-,:ping ';;ordt de amoni'?Ä.k in de vrarmte

-wi3~elaar Hl tot 6SoC voo:,;e~armd, zodat de voeding van de

reaktor RIO de juiste inlaa~~emperatuur van IIOoC heeft.

~8 inlaatGassen naar de reak~~r RIO bestaan uit drie stromen

1. 2

.

~)

.

-:; e Ge de amoniak-voeding,

de zuurstof-voed~ng gekom;:,imeerd door de tweetraps

-ko~pre3sor C7 en CB,

de recycle-stroom uit de toren T16.

temperatuur van de zuursto~-voeding wordt bepaald door

tussenkoeling in Hl en H15 en de kompressi e in C7 en CS.

~e t GIJperatuur "TJ"an de re c:IC le- stroom i s bepc3}3.1d do-or de koelirJ.g

Op de laatst e schotel van to:,~n T16. Om explosie-gevaar te

vermijden, wordt de ~uurstof eerst met de recycle- stroom Gemengd,

daarna vlOrd t deze gasstroo;;: ,i"2wengd met de amoniak voeding.

Cnder deze omstandigheden is de temperatuur van het uitlaat

-gas 960oC. De katalytische verbranding vi ndt grotendeels

plaa ts onder de vorming van =~J .

In een serie warmtewissela~:,s (HI2 , H14, Hl7 en HIB) worden

de ui tlaatgassen af8ekoeld te: 700C onder de vorming van

stoom. De stoomproduktie ~or~~ gedeel telijk gebruikt voor

het aandrijven van de kornpres50r C7 en C8 met turbine ~5 .

Het restant wordt ge~xporteerd als HD stoow (410oC, 8bar).

Een fraktie van de warmtestroom uit de uitlaatgassen wordt

benut voor de voorverwarming van het spuigas, voordat expansie

over de turbine G6 plaatsvindt (energieterugwinning).

De processtroom uit de warmte~isselaar Hl 8 kondenseer t

gedeelteli jk in de warmtewisselaars H2 en H21 onder de vorming Vé

zuur dat in tank V22 wordt o~;evangen. In warmtewisselaar H21

wor dt het tekort aan koelwarr.te van de vloei bare amoniak

( ( ( ( (

c

(

o

o

o

- - .. _ --10

-:Iet 1.,,3.:3 1:lOrdt onder i n absorber T20 geleid, de vloei bare

salpeterzuur oplossing wordt via pomp ~24 naar schotel nr.7 ~ebracht. De zuursterkte van de salpeterzuur uit tank V22

en op schotel nr.7 zijn nag;enoeg gel ijk. De schotel koHnrunen ~16 e~ T2J bewerkstel l igen het kontakt tussen gas en

vloeistof. Op schotel nr.l in toren Tl6 wordt extern de gewenste

~oeveelheid proceswater toegevoerd, zodat de zuursterkte

V2.n 60~; i n de produktstroom gehaald wordt.

~e salpeterzuur- oplossing uit toren T20 wordt tenslotte

in het gepakte bed T23 door een gedeelte van de zuurstof

-voedi ng ontga~t. De zuurstof-voeding wordt direkt na de

kompr essor C7 en C8 gespl i tst in een stroom naar de reaktor

R

IO

en het gepakte bed T23. De zuurstofstroom naar T23 wordt i~ war~tewis3elaar

HII

zodanig gekoeld, dat de salpeterzuur

niet onnodig wordt opgewarmd.

lIet ga~~ uit T16 wordt grotendeels door de blower C13 weer

naar de inl aat van de r eakt or

R

IO

getransporteer d. Deze

blower kompenseert de drukval in het recyclesysteem. Een

fr aktie van de recyclestroom wordt via de expansieturbine

::6 na voorvenvarming in \~·armtewisselaar H4 gespuid . .

De 60:~ salpeterzuur uitgepakt bed T23 wordt opgevangen in

buffertank V25.

-( ( ( ( ( (

o

o

o

-11-Cpst.J.rten.

Do salpeterzuu~fabriek op basis van ammoniak is een energie -producent. : 13:13 energie kan worden geproduceerd in de voro van 3tOOiJ. : -et r:a!.'.e de kompressor van de zuurstofvoecling

~ordt in dit ?VC door een stoomturbine aangedreven. Tijdens

stationaire jedrijfsvoering wordt een gedeelte van het

Geproduceerde stoom naar deze turbine geleid. Gedurende net opstarten besta~t deze mogelijkheid niet en stoom zal dus van buiten af in~evoerd moeten worden. Alternatieven zijn

een aparte stoo::-:--Jcetel , een elektromotor of een gasturbine

die uitslui~end tijdens de opstartfase in bedrijf is.

Een ander aspekt is de verdamping van de vloeibare ammoniak die door de fabriek wordt ingenomen. Tijdens stationaire

bedrijfsvoering doet deze ammoniak juist dienst als koelDidael. In (1e o.;J3tartfase moet de ammoniak in een aparte verdanper

~et externe warotebron verdampt worden. Deze opstart-warmte -wisselaar i s niet in het processchema opgenomen. Een

al ternatief is, dat Ül overleg met de ammoniakproducent

..,

_c

_a

r:J ~ ~

- - - -, C 8 ,

-F.-<:r----,

ZUURSTOF

~

_~

_eJ

H, WARMTEWISSELAAR C 7 COMPRESSOR 1e trap CB VENTILATOR

H2 WARMTEWISSELAAR C 8 COMPRESSOR 2e trap H 14 KOELER

H3 WARMTEWISSELAAR F 9 FILTER H 15 KOELER

H4 WARMTEWI SSEL AAR R10 REACTOR T 16 ABSORPTIETOREN

M5 STOOMTURBINE H 11 KOELER H 17 KOELE R

M6 EXPANSIETURBINE H 12 KOELER HlS KOELER

--

...

P 19 POMP ~ POMP T 20 ABSORPTIETOREN H2' KOELER I CONDENSOR V22 BUFFERVAT T 23 STRIPPER V25 BUFFERVAT

"""

,...,

"'"

WATER H3 koelwater T 23 SALPETE~ZUURI (60°/.) ~ SALPETERZUUR 44 ~ (52.'.) 70

PROCESSCHEMA VAN DE FABRIKAGE VAN

60

0'.

SALPETERZUUR MET ZUURSTOF

H DAAMEN AUGUSTUS

J C. LANFERMEIJER 1981

O;troomnummer [IJremperatuur.,..-cO Eft druk tn bar

-.J

l ( ( ( ( ( (

o

o

o

-12-Het centrale punt bij het ontwerp van de sal peterzuur

-fabriek is de beperking vall de NOx-eui ssie zonder dat hiervoor

~ostbarc investeringen of proceskosten in rekeni ng gebracht

behoeven te worden. De milieu-aspekten zijn al eerder in de

inl eiding ter sprake gekomen.

~oor het gebruik van zuurstof in plaats van lucht kan in

dit ontwerp OD een afgasreinigingsinstal lati e bespaard worden.

Het gas uit de absorptie-sektie kan daardoor grotendeels

teruggevoerd worden naar de inlaat van de reaktor RIO. De

snelheid,waarmee i nert ga~ (stikstof) in het systeem wordt

opgebouwd is zeer kl ein. Een relatief kl eine hoeveelheid gas'

hoeft dan ook maar gespuid te woraen.

~e kompressi e- arbeid in een proces met zuurstof als voeding

is veel kleiner. In tegenstelling tot het klassieke proces

hoeft geen ballast stikstof gekomprimeerd te worden. Door

verkleining van deze proces stroom kan ook bespaard worden

op de investeringen van de kompressor.

Belangrijk nadeel zijn de kosten van de zuurstof,. terwijl

lucht gratis in ongelimi teerde hoeveelheden voorradig i s . De

haalbaarheid van di t ontwerp zal dan ook in belangrijke mate

afhangen van de prijs van zuurstof nu en in de toekomst.

Een ander belangri jk aspekt i s de verbranding van amoniak

onder atmosferische kondities of onder verhoogde druk. In

di t ontvlerp vindt de katalyti sche verbrand"lllg onder geli jke

druk plaats als de absorptie. Om effektieve absorptie t e

bewerkstelligen gebeurt dit onder verhoogde druk. Amon

iak-verbranding onder verhoogde druk heeft als nadelen een l ager

rendement en een groter katalysator-verlies (Ft).

De verbrandingsreaktor is echter beduidend kleiner. Verder

staat daar t egenover, dat de kompressor van relatief goedkope

materialen gebouwd kan worden in tegenstelling tot het

ontwerp van Smi t en Zeegers. In het FVO van Smit en Zeegers

moet een gaomengsel met corosi ef NO _x gekomprimeerd worden,

hetgeen bijzondere eisen stel t aan de kompressor-schoepen.

Op dit punt wijkt het ontwerp essenti eel af van het ontwerp

(

r

( ( (

o

o

o

-1

5

-In het recycle-systeem i~ ~el eAn blower in; ebouwd om de

drukval over de reaktor, wa~~tewisselaars en de absorptie

-torens _{te over':linnen}. Even t·';.e el kan de laa ts -::::: tray' van

de zuurstof-ko~pressor gebr~ikt worden om de circulatie

van het recyclecas te bewerjstel l igen.

Hoewel de drukval over ee~ gepakte kolom kleiner i s dan

een schotelkolom met een ze: fde aantal theoreti sche schotels,

is bewust voor een schotel}~sloID gekozen. De a:voer van

reaktiewarmte i s in zo'n ko:o~ gemakkel ijker te be~rkstelligen.

~e vloeistof op de schotel ~ordt met een pomp naar een

externe warmtewisselaar gevoerd, afgekoeld en weer naar de

schotel teruggestuurd. Dit gaat uiteraard ten koste van energie

die nodig i s om de recycle-3troom in stand te houden.

~e absorber i s Gesplitst ~n torens T16 en T20, omdat één

absorptie-toren de wat onwe=enlijke dimensies van 10 meter

hoogte en 1 meter doorsnede zou hebben.

Zen minimale hoeveelheid zuurstof moet via de stripper

T23

bij de absorptie-toren :20 in het recycle-systeem worden

ingebracht. Di t is om stiks: ofoxi den opgelost in de 605~'

3alpeterzuur te verwijderen. Verwijdering van deze ~acsen met

lucht onder atmosferische c~standigheden veroorzaakt een

nieuw NO _x -probleem.

De salpeterzuurfabriek is een netto energie producent. De

warmtestromen zijn zodanig ;ekoppeld, dat warnte- overdracht

alleen plaats vi ndt tussen ~assa-stromen met een redelijke

temperatuurgradi~nt. Dit betekent, dat hei warmtewisselend

oppervlak acceptabel blijft, terwijl het entropie-verlies

niet te groot is. Deze sterje i ntegratie heeft ~el als nadeel

dat het opstarten van de fabriek bijzondere eisen stelt (zie

ook het hoofdstuk rrocesbeschri jving).

( ( ( ( ( .... r·· .. (

o

o

o

-1

4-=~1':K':'<:L3 DElTADErU!·JGElT DIJ D:2 J?~REKENn;G VAH DE LASSABALANS

In di t hoofdstule worden enkele benaderingen besproken, die

geDaakt zijn tijdens de berekeni ng van de massabalans.

In de oxidatiel'eaktor .RIO is de omzettingsgraad afhankelijk

2

1 van de druk volgens ~innacker en Klichler. Aangenomen is, dat

~

de resterende ammoniak volledig naar stikstof doorreageert.

~et de zuurstof onder vor~in; van water . Andere zijreakties

worden verondersteld van verwaarloosbare invloed te zijn.

Verder is aangenomen, dat de inkomende N0

2 uit de recycle

stroom niet door de ammoniak in de voeding gereduceerd wordt

naar stikstof. Deze aanname is zeer zeker aanvechtbaar, omdat

in afgasreinigingsinstallaties juist van deze reaktie gebruik

'dordt gemaakt om sporen NO __ te verwijderen. Het bovenstaande

A

~as ui tgangspunt voor het co~puterprograrnma nr.la in de QPpendix. In de appendix is OOK nog het alternatieve

procraruna nr. lb beschreven, waarbij N0

2 uit de recycle in

Je reaktor RIO wel preferent ~aar N

2 reageert. Dit programma

is echter ni et verder i n de berekeningen gebruikt l

Tijdens afkoelen van de gas3en uit de reaktor RIO waarbij

NO verder dooroxideert na~r N0

2 is gesteld, dat ge€n kondensatiE

optreedt. Pas wanneer het gas~engsel de temperatuur van

7000 heeft bereikt, kondenseert de waterdamp uit het gas.

~~ AnderZijdS wordt nu verondersteld, dat geen verdere oxidatie

van NO naar N0

2 pla2ts vindt. In werkelijkheid kunnen de twee

processen gelijktijdig plaats vinden. De formele scheiding

"

tussen koelers en kondensors is daarom niet re~el.

Verder is aangenomen, dat het salpeterzuur dat in tank V22

vlord t opgevangen ui t kondensor H21, in evem·!icht is met de

gassamenstel l ing. Gezien de korte kontakttijd in H2l zal het

zuur i n werkelijkheid wel zwakker zijn.

De hoeveelheid gas, die in het zuur uit tank V22 is opgelost,

is verwaarloosd ten opzichte van de gasstroom naar toren T20.

In de gasstroom van H21 naar T20 is de oxidatie snelheid van

NO naar N0₂ berekend volgens hetzelfde progra@na, dat is

toegepast op de afkoeling van de gassen uit reaktor RIO

(programma

nr

.

3

).

De reaktiewarmte die hierbij vrijkomt wordt

afgevoerd door de warmtewisselaar i n toren T20.

L t ( ( (

o

o

o

-16-Je hlassabalans speelt een relatief belan~rijke rol, omdat

balans di rekt de e~issie van NO in de atmosfeer bepaald.

x

~venrediG veel cl~::.;,j·I~: t is daarom besteed aan het opl ossen

V2li deze balans en de faktoren die deze balans beInvloeden.

(. spui ~ -I i R 10 _ _ _ _ _ _ --;-:,~abs~rber ~ c ?/ ?

2-iÀ

I

i~~uur 1 - 0chematiscne weergave van het PVO.

In bovenstaande figuur is schematisch de salpeterzuurfabriek

weergegeven. De rende~enten van de verbrandingsreaktor RIO

en de kondensatie- absorptie-sektie worden vastgelegd door

respektievelijkJl en

fi

₂• Variabel in dit schema zijn :

1. de verhouding van de amoniak/zuurstof-voeding

2. de verhouding zuurstof naar de verbrandingsreakt or RIO en

de stripper T23, een minimal e zuurstofstroom naar de

strip-per i s echter wel noodzakelijk om de stikstofoxiden opgelost

in de

60%

salpeterzuur te verwijderen

)

3. de hoeveelheid spuigas , deze moet i n i eder geval zo groot

zijn, dat even veel stikstof (of inert) geloosd wordt als wordt

ingev~d in de recycle en als wordt geproduceerd in het

recycle-systeem. Invoer vindt plaats door verontreinigingen in

de voeding met name de zuurstof, produktie vindt plaats in

de reaktor RIO.

-L L ( [ ( (" (

o

o

o

-15-scllotel vloeistof en Gas met elkaar in evenwicht zijn. Iedere

schotel is dus c;el iji: aCln één theor etische schotel. In

wer kelijkheid zal het rende~ent kleiner zijn. Hoewel deze

aann2De niet juist is , lijkt het ons door gebrek aan gegevens

even zinloos een wi llekeurig rendement in te voeren~.

Ten slotte i s nog opgemerkt , dat in de recycle stroom

ver ondersteld i s , dat al le stikstofoxiden zijn doorgereageerd naar 11102.

[ [ r

:-)

,.

-17-In de '\ppendix zijn computerprograrnJi1às l a en lb voor de

T=

-

59

opgenoffien, die bij gekozen kondi t ies onder stat ionaire

o;i1stnndisheden de samenstelling van het gas in de recycle

(on dus de spui) berekenen.

::et

rende!1~ent

ft

1 van de reaktor IUO wordt bepaald volgens

~e tabel van ~innacker en Küchler ( 2). Daarmee l igt ook

ue t emperatuur van de reakt or RIO en het percentage amoniak

i~ het gasmengsel vast.

; et ]rogram~a 2 in de Apendix kan hieruit eenvoudi g de

gas samenstell ing uit de reaktor RIO berekend \'rorden.

De oxidatiegraad van NO naar N0

2 in de warmtewisselaars

H12, -IT14, Hl7 en HlS kunnen ber ekend worden met progra~ma

3

.

":::'i t ]Togra;:c::a i s gebaseerd op een artikel van Sol omon en

2od;es (

3).

lrogramma's

4

en

5

woraen gebruikt om gegevens te berekenen

aie nodig zijn om programma's 6 en 7 uit te voeren. Het

programma's 4 en 5 worden respektievelijk de molfrakties van de

1n~aanae stromen en de werkaruk in de kondensor en de

absorptie-sek tie berekend. I'let behulp van programma 6 kan de hQeveelheid zuur in de kondensor H21 worden berekend. Met programma 7 wordt de absorptie-sektie f16 en i20 schotel voor schotel doorgerekend.

l (

r

(

r

(, (

o

o

o

o

-18-~)e enthal pieën zijn nul eesteld bij

25

0C en 1 atmosfeer voor alle ele~enten en verbindingen in de gasvorm. De

reaktiewar~t2s zijn al s aparte ingaande stromen gerekend •

. ) e i:leng\'!arst e van sal peterzu"'JT en Vla ter is niet als aparte

3trOOQ ger ekend. De enthalpie van de gas stromen is berekend

:Jet de C -'.vaar:::ien van de gemiddelde temperatuur.

p

Inherente geGe'.~ens

ve rdampillgswar~:,te van water

₄₄

_,

₃₇

kJ/mol

verdampingswar~te van salneterzuur:

₃

₉

_,

₃

kJ/mol

reaktiewarmtes:

4

N

H

3

(g) +

5

°

2

(g) --;T ...

4

NO

(g) +

6

H20

(g)

-

906

,

65

..1.

n

I

3

(g) + 3 ,.

C

s

)

-;>

₂

F _{(g) +}

₆

_{H 0}

_(g)

_-1

₂₆₈

_,39

"'2

·'2

2

lIO (g) + 1 , r- (g) -;;.

N0 2

(g)

57,11

~'2 3 lJ0

₂

(g) + TT

0

(1)

-;;.

2HH0

7

(1)

₊ NO (g)

69,75

::2 ₎ 'Jij

1

atf!1osfeer en

25

O

C

.

~et behulp van de vergelijking

1

33

,

6

~

1

0)

-

1,047

(gew.%

HN0

3

)2

,

5

.

J kJ kJ kJ kJ

kan het totale warmte-effekt van de. reaktie worden berekend,

dat wi l zegsen absorptie warmte en mengwarmt e.

De enthalpie van de zure oplossing is berekend door bij de

nulpuntsenthalpie van de zuivere komponenten hun verdamp

ings-warmte en de mengwarmte af te trek~:en, en de warmte- inhoud van

o

de oplossing t en opzichte van

2

5

C op te tellen.

Verder is verondersteld

ideale gassen.

dat --- I = 0 , een eigenschap van de

( dH\

dpl

T

_.-""' .... ,.. & . t , ol 1> - ~

-/1r~ ~ __ I .--

e

- L J

Y

2.. ti.

c

(

c

c

o

o

c

c

c

L [ r L [ r-L r L

---. --19

-~:a de oxidCl.tor Hordt :lct cas afgekoeld in de warmtewisselaars

:I12, l-il :t, H17 en ~n3. Ti j dens dit afkoelen wordt HO volgens

:~odenst2in oE;,'-~ezct in 1i0

2• Het is een bekende reaktie, omdat

he-één van de 1.-18ini[;e derde orde reakties is:

R - l r ; : : , 2 D

.l - .b... .L IIO· ~ 0

2

~aarnaast i s het opmerkelijk, dat de reaktiekonstante keen

negatieve temperatuursko~fiici~nt heeft. Solomon en Hodges (3 )

ieb~en een theor etische vergelijking afgeleid, wae-rdoor het

~

_.--de oxidatie graad te voorspellen:

a

=

initlêle druk van NO

.!!-

~ fj.

I cJ.,VU 1.

~

X· • .t~

4"

-

X;;

I p'''~ IL

'1'

~

8 = initiële druk van 02 ~

-==

x

=

~a:7lëfe

partiële N0₂-druk

t = oxidatietijd

f

g.e-durende de oxidatieti jcÎ'

k

l

=

reaktiesnelheidskonstante bij de log-gemiddel de temperatuur

In de appenSU" staz,.t komputerprogramma nr. 2 beschreven,

/ - '

\·la2.rme~lh deze vergelijking bi j gegeven a, b, t en k

l

~á.n \'lOrden opgelost. a en b volgen uit de gassamenstel ling

~van de gasstroom uj_t de oxidator. De verblijf tijd in de

opeenvolgende warmtewisselaars H17 en RIa is op 17

respektieve-l ijk

3

sekonden geschat. De verblijf tijden zijn in eerste

instantie evenredig gesteld aan de temperatuursdaling en/of

het warmtewisselend oppervlak. De warmtewisselaars H12 en R14

spelen geen rol i n de berekeningen,omdat de temperaturen groter

zijn dan 8000K. Bij de gassamenstelling uit de oxidator vindt

boven deze temperatuur geen omzet t ing naar N0

2 plaat s .

De reaktiesnelheidskonstante i s berekend volgens :

- 2 -1

bar • s

waarbij T de log- gemiddelde t emperatuur van de warmtewi sselaar

is.

Bi j terugrekenen van de nieuwe partiële drukken naar

( ( ( (

c

o

o

o

-2

u-:.'ja3..)2.stror:~en bleek lie rila~~.;abalan3 niet te kl oppen. Di t is hoo,;st'\Va:_,_rschi jnl ijl:: t e vIi j ten aan het feit , dat het aantal

~

~clekulen voor en na de reaktie niet hetzelfde is, terwijl

de totale druk wel konstant wordt veronderstel d. Vooral bij een :lo~e omzetting gaat di t effekt een merkbare rol spelen.

~it x vo15t de konversiegraad van NO naar il0

2, deze konversie

-gr aad i s daarna i n onze berekeningen toegepast op de massa

-3t~o~en, zodat de massabalans wel kl opt.

~eze methode is ook t oegepast bij de berekening van de

cxi datiegraad van de gas stroom van de warmtewisselaar H2l

l ( ( ( O( I { ('

o

o

o

o

_ . _ .

-lijst van gebruikte symbolen bij de berekening van de kondensor

en absorptiesektie

A

m+l molfraktie zuurstof onaer schotel m

.B molfraktie N

20

₅

vertegenwoordigt

m door

NO

boven schotel m

I

II

UJ.+1 molfraktie J:i20

5

vertegenwoordigt door

NO

onder schotel m

E molfraktie N

2

u

₅

verte~enwoordigt door N02 boven schotel m m

I

BIIl+l molfraktie N205 verte~enwoordigt door hU2 onder schotel m

X

m-l molfraktie _1~2Ü5 verte6enwoorcigt door HN0

3

boven schotel m

ÀmÎ

h

molfraktie 1'i

2G

5

vertegenwooraigt cioor Hii0

3

onder schotel m

Y_{m moliraktie N20}

₅

vertegenwooraigt door

NO, NO

₂ boven schotel

I

Ym+l molfraktie N205 vertegenwoordigt door

N

O,

N02 onder schotel

G inerte gasstroom mol.s -1

L totale waters troom, dwz vrij H

20 en gebonden H20 in HN0

₃

mol.s -1

m m

( ( ( ( ' "( ( (

o

o

o

o

-21-~mH:;';;Z:;';;NIHG VAN DE KClmmTSOR H21

\!erkli jn en evemvichtsli jn

In de kondensor wordt wat er sekondenseerd en vindt reaktieve

;: :)30r~tie van E

204 (= 2Nq) plaats tot HH03• rij de berekening

~an de hoeveelheid HN0

3

die gevormd wordt, is uitgegaan

van de methode van King en

?

i

eld

in

g

~

Aangenomen is dat de

kondensor overeenkomt met á~n theoretische schotel.

lie ook symbolenlijst.

oor:2 geldt : ;:} E ::-il

Î

t,

E DHl Voor de werkli jn geldt:

ZH

of

L

X(n

f

C;

Yin

,

==:

L

X

/

_n-

_i

--I-

G

Y(In-r/)/

L

X

rn

=

r;-

(Y(in

f-i)" -

Y

ih)

--f-

L

X

in-I

L

X~l

:

=-

Cr

[!J

in

1-

L

X

_rn

--

1

-1

X~

omdat

---1

'

g

Q)

-f-

X

_Ih

'_I

Gekombineerd met Bm

=

B_m

+

₁'

+

1/3

~E

kan nu met behulp van

i ter at ie de juiste waarden van X

m, Em en Bm gevonden worden

als X_m-_l , E_m

+

_l ' en D_m

+

_l ' bekend zijn. De berekening is

uitgevoerd met behulp van een programma voor een TI-59

rekenmachine. Berekening en programma zijn in de bijlage te

vinden.

Koeling

De koeling van de kondensor H2l gebeurt met koelwater, de

{ { ( ( ( ( 0 0 0 0

-22-De absorptie-sektie is doorgerekend met de schotel tot schotel berekeningen van ~ing en Fielding

(4 ).

Bij de berekeninG wordt uit;;e~aan van een hypothetisch N

20

₅

,

dat i n teeenstroom uit de gasfase i n de waterige fase wordt

zeabsorbeerd. Dit hypothetische N20~ wordt i n de gasfase

op~ebouwd

Gedacht uit U₂0

4

+

i

NO +J

i

ll02

:=n de vloeistoffase bestaat het uit 2 HNO ..

+

H

20. Let di t

)

uitgangspunt worden de inerte gas- en vloeistofstromen berekend.

De droge inerte gasstroom G is opgebouwd uit zuurstof en

stikstof vermi nderd met de hoeveelhei d zuurstof die nodig is om ae aanwezige stikstofoxi den om te zetten naar N

20

5

.

G - _U2 + 02 -

[

i

N₂0₄ + i N02 +

~ N

~

:Je diverse molfrakties worden als volgt gedefinieerd:

1 HlT0

3

X

₌

~-L H₂0 4 + ~ HO + .1, NO Y = -2 ;2 2 G N 204

+

1 N0₂ E = ;3 G ~ NO B

₌

-2-G A

₌

°2 G

Er worden twee veronderstellingen gedaan:

a. er vindt alleen oxidatie tussen de schotels plaats

NO ₊ ~O .

2 2---7 N0₂

b. op de schotels vindt alleen absorptie plaats

3

N0

2

+

H20~ 2 HN0

₃

+ NO

";'-,

-l l ( (

r

c

(

o

o

o

-23-De evenwichtskonstante van deze laatste reaktie is:

1 ' 1'_ P -1 -2 mol . l .bar Volgens

~e

t

ers

5

is

N

204 het aktieve reagens, dus de absorptie -l'eakti e 1S :

2

HNO~ ₎ +

NO

met

?NO

=

10(7,

412

-

20,2892w

+

32

,

4743w

2

-

30

,

8

7w

3

)

u3/ 2 dircensi e

.LN204

- 1 -~ mol . l • bar ~ W i3 de gewichtsfrakti e HIT0 3

De evenwichtskonstante van het dimerisatie-evenwicht

i s = exp

(

68~

1!6

-

21

,

244

)

dus K TT I •

I

(

13~

1 = r' l - 1 bar

Aannemend dat op de schotel evenwicht bereikt wordt, kan

afgeleid worden dat:

E

l [ /-{

+

(

~ P~I\

i

)

i

J

-

H

2

/-1

met

met respektievelijk E en B als de molfrakties N0₂ en NO als

N

20₅ boven de schotel. De hoeveelheid geabsorbeerde

N0

2 bedraagt:

I ,

c

( ( (

c

c

o

o

o

o

o

o

l ( ( ( (

c

m

r

(j

o

o

o

-24-'..'aaroij een betekent: de molfraktie van de betreffende

konponent onder de schotel. De hoeveelhei d gevormde NO

bedrae.gt :

,

B is bekend voor de onderste schotel evenals ~ . Door een

waarde van ~ te schatten kan ~ uitgerekenu worden met de één

na onderste verGelijking op blauzijde 23. Hieruit volgt met

bovenstaande vergelijking een nieuwe waarde voor H, Door iteratie

worut de juiste waarde van ~ en n gevonden, die aan beide verge-li jkingen voldoe t. U i t 6.lJ kan 6. Y berekend worden volgens:

- 2.&3 = 6Y

~e ~olfraktie N₂0

S

in de vloeibare fase volgt uit de verge

-lijking van de werklijn:

X m-l

t

t

X

m

-... ;-~ m

t

t

Y

_m

+

_l

X

fh .-

i

.

r;

- .1

J

lJ

.f- /

V

\rn

L

In de gasfase boven de schotel wordt NO geoxideerd tot N0₂

volgens :

De lineaire gassnelheid is

_{d t}

d n

₌

_v

₌

_{vrij oppervlak} gasvolumestroom

₌

gRT _PS

( ( ( ( • ( (

o

o

o

o

worden berekend: ül "7'; (~ t d '3 - ei t · d 11

=

_

.

a

h

=

-

25

-/" 1" _\.b· 2,_J.. )2 _{• R} P_{• T} .S _{. G· •} A ₁ B2 = C 'fA. .B 2

~a'~r -dB

=

d~ volgt na integratie over de doorlopen afstand

(= de afstand tus0en twee

~

-

Z

i

c

g

Afrl

B

m

!Jin

schotels

_,

h)

_m

met

i

-f-

fArn

Bm

h

_m

dat wil zeggen de gemid~elde fraktie 02 tussen twee schotels.

Door te itereren wordt de goede waarde van d.E bereikt.' Hieruit

I

word en diA en dB berekend en kan de volgende schotel worden

door gerekend.

l'iet deze schotel tot schotel bErekening is het mogelijl-::

zowel schotel afstand als temperatuur per schotel t e vari~ren.

Voor di~ ontwerp is gekozen voor een absorpti e-sektie die

~esta~t uit twee kolommen met externe koeling. Aangenomen is,

dat een theoretische schotel gelijk is aan een praktische

schotel, aangezien gegevens over schotelrendementep voor

salpeterzuurkolommen in de literatuur niet goed bekend zijn.

Vel is bekend, dat naast absorptie van N₂0

4 ook absorptie.

van N

203 en HN02 een rol speelt, gegevens hi erover ontbreken.

Het schatten van sch6telrendementen op grond van stofoverdracht

i s hachelijk, omdat N

204 oplost, maar in de gasfase transport

van N0

2 án N20

₄

plaats vindt. Gegevens ov~r schotelrendementen

moeten door metingen worden verkregen en zi jn daarom in di t

ontwerp niet oPGenomen.

Bij een emi ssie van 2, 5 kg N0

2/ ton HN03 bestaat de absorpti e

-sekti e bi j de gekozen proceskondi t ies (7000, 8 bar) uit t i en

theoretische schotels.

Voor een snelle ber ekening van de absorptie- sektie i s

gebruikgemaakt van komputerprogramma no.

4

,

5 en

7.

In de tabel op bl~dzijde 27 zijn de r esultaten van de

( ( ( (

c

o

o

o

-26-ue warmte die vriJkomt bij het aosorptie en oxidatieproces

in 116 en f2u worat af~evoerd door externe warmtewisselaars. net zuur worat van de schotel naar de warmtewisselaar gepompt

en weer teru~gevoerd. ue schotels nr. 6, 7, 8 en

9

worden 5ekoela met ammoniak, nr. 1, ~, ), 4, ~ ;en 10 worden met koelwater gekoeld.

Af te voeren warmte per schotel~

schotel nummer 1 115,3 kW ~ _177,2 3 24S,2 4 272,1 5 22U,) 6 _144,u 7 1~7,7 8 ll~,ü 9 lU2,3 10 123,7

l ( ( [ ( (

o

o

o

-27-gas- en vloelstofsamenstellinL in ae ausorptiesektle

schotel no. zuursterkte '1~w

HNO

mOlls l~O mofls 1 2

3

4 f·

7

8

9

10

v 1,~

12,4

2b,5

40,v

53,2

54,9

56,5

5d,v

v,14b2

1,6577

4,v94u

7,21bb

9,9712

11,69'93

28,0975

29,6313

31,2u6b

33,4166

1,1

3dl

1,

)?od

0,3bv6

2,6415

1,3d17

5,03:h

3,7073

b,3bö9

7,3

2

7u

11,45t8

llJ,7u)1

13,2'353

12,6253

15,lJbC3

14,5284

16,bj12

16,4201

16,7br iG

lb,5

r

{lJb

21;8b50 voetiiub h 2C op de eerste schotel voeding hN0

3

op de zevende schot

schotelafstand voor de behele k

/

---gemiuaelde temperatuur op 1'-40 mali s

2,3256

58,lJ146

2,~5j3

3,2353 58,5G37

2,4?7'3

),7377

5'9,1337

2,?15::i

3,04öl

5~,7'3'38

2,2ö75

3,3?33

6G,3326

1,S1754

2,732<3

6U,7u':15

1,068';1

2,5350 61,0425

1,7204

2,26135

1.,5v

35

61,3185

1,~145

61,5240

1,1228

1,33~ö

61,6306

u,2322

Ij

-0,22u7

-2,2609

-3,2078

-4,

68

16

-4,12'38

-2,5921

-2,4550

-2,3675

-3,3153

A}jO maIls

-0,9820

-1,2598

-1,3322

-1,0658

-C,7575

-G,4846

-0,5481

G,4110

0,2170

atersuppletie)' 41,86U8 mol/s

14,5688 mali s

J

om 1 m

SChot:j?

D

o

o

n

-28-in ae stripper wordt fysisch opgelost ~204

ut

de zuurstroom

verwijderd. Dij het strippen treedt naast desorptie

.l~2U4(1)----+N2Ü4(g) het dimerisatie evenwicht

HÜ₂ ~ N₂U

4 op. tiet dimerisatie evenwicht

wordt in de werklijn verwerkt. ~e molfrakties in de gasfase

noemen we respeKtieveliJk y, w en z voor ~2U4' ~02 en Nü₂.

~e molfraKtie h

2U4 in ae vloeistoffase wordt aangeduid met x

h()2 - hU₂ T _{2 l~ 2°4} x n-l Yn

~

Î

n

~

I

x _Yn+l n

ue verbeliJkiub van ue werkliJn luidt~

+ 2y - z ₁

=

met l\.

P

~e vergeliJking van ae even~ichtslijn volgt ~it:

1 1 == H • (,;111204

=

H •

P

molair en y

=

x.

P

molair P t . H

In de bijlage is het ~c ~abe-ihiele diagram voor ae stripper

gegeven als mede de ~erekening van de diverse gas en

vloeistof-stromen en de dimensionering van de stripper (blz.

57

en

58).

-r '-[ [

r

r-r

[)

o

o

o

DB PEDO :~Sl(()~~DITIZ3

Tijdens het ontwerp van de fabriek is r elatief veel tijd

besteed aan de invloed van de proceskondi t ies op de samenstel

-ling van de IJassastromen onder stationaire omstandi gheden.

!n het bi jzonder is gekeken naar de relatie tus~en de

proceskondities en de NOv- spui. Hierbij kwamen de computer

-A

programmeals beschreven in de Apendix goed van pas . De

invloed van de volgende variabelen werden bestudeerd :

1. 2.

3

.

4. )

.

6.

cver~aat 02 ten opzichte van de NH3-voedin8

de verhouding 02 naar de verbrandingsreaktor RIO en de

stripper T23

percentage N₂ in de 02-voeding

de druk in het recycle-systeem

de temperatuur in de absorber

de schotelafstand in de absorber.

1. Uit tabel 1 blijkt, dat de zuurstof- overmaat een belangrijke

rol speelt bij het zuurstofgehal te in de recycl e-stroom. Dit

zuurstofgehalte i s es~:>entieel , omdat het de oxidati.esnelheid

van NO naar N0

2 beInvloedt. Bij een grotere zuurstof- overffiaat

kan daardoor de schotelafstand en daarmee de absorptie-sektie

--van de fabri ek aanzi enlijk verkleind worden. De overmaat

---zuurstof wordt geloosd via de spui. Di t is een verl

.

-

i es van

relati ef dure ~uurstof, omdat ze van een l uchtscheidings

-

----fabriek betrokken wordt.

Naast het afwegen van deze twee faktoren speelt nog een

derde faktor een r ol. Bij verhogi ng van de over~aat zuurstof

neemt de verhouding massastroom spui-massastroom recycl e toe,

omdat meer gas gel oosd moet worden. Het gevol g is , dat relatief

ook meer NO

x gespuid moet worden. De spui van kg N02/ t HN0

3

neemt dus toe en kan alleen verl aagd worden. door een groter

absorpti e-rendement. Ook deze berekeningen zijn uitgevoerd

en staan vermel d i n tabel 1. Hoewel de verhoging van het

rendement betrekkelijk klein zijn i s niet met berekeningen

,

L (

r

[

r

r

r nr. 1 2 2a ;:101 1 1 1

3

1 3;:" 1

~

l

=, '0,96,

-3lJ-h7perbolisch verband vervlél.chten tus,jen het schotel-aantal

ec IlC t abs orpt ie-renclcrnen t . Vt::rwi j deren van de laa ts te resten

~o _x uit het ;.~ ~as zal relatief veel schotels eisen.

Het -probl ecl.1 bij de o:ptimalisati e van dC::Z:3 procesparameter

i s , dat drie faktoren afgewogen moeten worden; investeringen

(sroott e V2n ~e absorptie-toren) tegen produkti ekosten (zuur

-stofverlies , drukval over de absorptiekolom) .

tabel 1. :-:-'01 1,97 1, ']7 !:lol 0,1 0,0935 0,0985 " ()2

U

;2) naar RIO 0,875 0,875 0,875 0,0975 0,675 0,90 0,885 0,90

~,

~

~

~02

in recycle 0,29 0,15 0,15 0,005

1

,

95

0

,

0975

0,875 0,865 0,007

druk= 8 bar, temperatuur absorber= 50o

e

.

mol 02 in spui 0,0508 0,0207 0,0208 0,0006 0,0008 kg lI0 2 t i-jj; (j 3 2,52 2,04 2,39 1,73 2,46

~. Uit tabel 2 blijkt, dat N0

2-emissi e per ton HNO} toeneemt

als het percentage zuurstof naar de oxidator groter wordt.

liet zuurstofverlies blijft nagenoeg gelijk, terwijl ook het

zuurstofgehalte i n de r ecycle-stroom niet verandert. Het

l igt duidelijk voor de hand op basis van deze gegevens bij

optimalisatie van de proceskondities de zuurstofvoeding geheel 1.

naar de stripper-absorber te leiden.

Het bleek echter bij verder rekenwerk, dat deze

veronder-stelling niet juist is. De koncentratie zuurstof in de recycle

stroom van de absorber naar de oxi dator wordt geheel bepaald

door de overige proceskondi ties en dus niet door de verhouding

zuurstof naar de oxidator en de absorber. Wanneer zuurstof

uitsluitend via de absorber wordt ingevoerd, daal t de zuurstof

koncentratie in de oxidator zo sterk (er wordt immers in de

oxidator geen zuurstof toegevoerd), dat deze koncentratie

zeer laag of zelfs n~gatief kan worden. Di t kan, omdat de

(J

:r

konversie~l van amoniak naar NO in het computerprogramma

nr.l i s vastgelegd. De reaktiesnelheid van NO naar N0

2 in

de warmtewisselaars na de oxi dator RIO wordt navenant

r L :-J I Î l ! './ v / / I' I ... '7' ./

-31-0;

(I.'

.

R

10

O

₂

;//z)

hoat

.

/0

o.~

0

.6

O} C.f

0J

/.0

figuur 2 - Afhankel ijkheid van de zuurstofkoncentrat ie uit de reaktor RIO en het percentage 02(N

2)-voeding naar RIO.

zuurstofkoncentrati e uit de oxidator, of te wel een overmaat amoni ak ten opzichte van de zuurstof is de proceskonditie onder nummer

7.

Wanneer de zuurstof-voeding in de oxidator wordt ingevoerd,

is de koncentratie in de oxidator en de daarop volgende

warmtewisselaars wel groot. De koncentratie in de absorber

zal echter ongeveer gelijk blijven, omdat de koncentratie in het recycle-systeem konstant blijft. Eén en ander is schematisch weergegeven in figuur 3.

De optimal isatie van deze procesvariabele is dus het afwegen van een hogere N0

2-emissie (gekompenseerd door een grotere absorber) tegen een acceptabele zuurstofkoncentratie in de

warmtewisselaars en kondensors na de oxidator. Omdat een

-c

( ( ( ( -32 -1 _ _ _ r ecycle ,

I

reaktor

Rl~

... ... __ v koeling

kondensors absorber recycle

figuur 3 - Kwalitatief verband van de 02-koncentratie in het PVO

( ) 100;~ O

2 (lJ2) -voeding naar r'2aktor RIO (- - - - ) 100;; 02 (lT

2 )-voeding naar absorber T16

~.~ hoge zuurstofkoncentratie essentieel is voor een redelijke

\,...J:-·F~ ~ o:ddatiesnelheid, i s gekozen voor een maxirJale zuurstof

-~

~).,\~\

I;;

~

stroom naar de oxj..dator. Eén achtste van de zuurstoi'voeding

(

VLt.~· wordt echter als stripgas voor de produktstroom in T23

gebruikt en in de absorber gevoerd.

tabel 2.

0

nr. mol mol mol 5'~ 02 (_N2) ,;b O₂ i n mol O₂ kg H02

NH O₂ N₂ naar RIO recycle in spui t IfN0

3 3 0 1 1 2,00 0,1000 0,875 0,29 0,0508 2,52 4 1 2,00 0,1000 0,000 0,29 0,0506 1,88 5 1 1,97 0,0985 1,000 0,15 0,0207 2,14 2 1 1,97 0,0985 0,875 0,15 0,0207 2,04 () _{6 1 1,97 0,0985} 0,500 0,14 0,0206 1,79 7 1 1,97 0,0985 0,000 0,14 0,0205 1,54 } l = 0,96,

~

2=

0, 90 druk 8 bar () absorbertemperetuur 500

e

()

(

r

( ( (

o

o

o

o

-33-j . Verlagin~ van het stikstofgehalte in de zuurstofvoeding

zal de totale spuistroom verlagen, omdat minder inert gas

in het recycle-systeem wordt ingevoerd. Uit tabel 3 blijkt,

dat ook de emissie k~ N0₂/t Hll0

3 drastisch vermindert, t erwijl

het zuurstofcehalte in het recycle-systeem sterk toeneemt.

Joor deze twee effekten kan aanzienlijk op de absorptie-sektie

bespaard worden (aantal schotels en schotelafstand). Daar

tegenover staat natuurlijk e8n onevenredige prijstoename

van de voeding. In dit ontwerp is gebruik gemaakt van ~j5r;; zuurstof met 5~ stikstof, omdat deze graad van zuiverheid

de meest gebrui kelijke en goedkope is.

tabel 3. mol mol (.

;

°2(1:"2) ~? ,1 _°2 in mol _°2 !1~r • mo 1 0" _c- lT" L naar RIO r~cycle in spui kg t

Ne

Hl'~C

7

1 1,97 0,0985 0,0 0,14 0,0205 1;54 8 1 1,97 0,0500

9

1 1 , 0./ '7 1 0,0000 $1= 0,96

_:5

₂₌ 0,90 druk 8 bar absorbertemperatuur 500

e

0,0 0,22 0,0203 1,00 0,0 0,50 0,0202 0,45

4

.

In tabel 4 i s het ~ffekt van drukverhoging op de N0

2-emissie,

02-koncentratie en 02-spui te zien. Het rendement van de oxidator is verlaagd volgens

W

~nnacker

en

~

lichler3bij

verhoging van de druk. Het effekt van drukverhoging kan beschouwc worden als een stijging van de zuurstofovermaatten opzichte

van amoniak en een stijging van de inert produktie.

Druk-verhoging heeft ook direkt een aanzienlijke invloed op het aantal schotels in de absorptie-sektie. Berekeningen met programma nrJ in de apendix maken dit aanschouwelijk. De

resultaten van enige berekeningen zijn verzameld in tabel

5

.

Daarnaast stijgen de kompressiekosten bij absorptie onder verhoogde druk. Optimalisatie van de druk is binnen het

kader van dit FVO een te uitgebreide zaak. Daarom is betrek-kelijk willekeurig gekozen voor een werkdruk van acht bar.

r L ~) ) J J

-)4-t3.bel L. nr. 10 3 11 ;:101 druk > 1

~

2

b~Y' ..... .ll· ... '-'--" . / "I °2 in mol °2 kg

HC

I"

recycle in spui t EN(

1 10

0

,

95

0,90 0,30 0,0329 1,20 1 .~ 0,96 0,90 :'.J 0,22 1 ij. _{0,97 0,90} 0,10 (.'2- voedinG~ 1,97 mo]

C

1 2= 0,05 .',02

_C

:?) naar EIO is 0':, ~ 0 1.101 )

t2mperatuur absorber is 50 C

tabel

5

.

temp. druk

schotel-oe _bar afstand (m) 50 4 5

50

8 5 50 10 5 70 8 1 70 10 1 verhouding NH 3 02-voedi ng = 1 2 ;:jlJ 2 in de 02-voecling is 5% ~02-voeding naar RIO is 87,5% rendementen ~l= 0,96 en

fo2=

0,90

0,0203 0,0077 aantal th. schotels 4,65 3,74 3,61 5,75 5,11

5.

Zoals uit tabel 6 blijkt heeft temperatuurvariatie in

programma nr. 1 geen merkbare invloed op de samenstelling

van de massastromen. Dit komt, omdat het rendement;2 in

1,00

0,82

het programrna is vastgelegd. De enige grootheid die verandert

is de waterdampspanning. Het aantal benodigde theoretische

schotels in de absorptie-sektie om een bepaald rendement te

halen"verandert wel drastisch, omdat de reaktiesnelheid van

NO-oxidatie een negatieve temperatuurskoêfficiêrtt heeft. De

absorber wordt dus groter bij hogere temperatuur. Daartegen

-over staat een afname van het warmtewisGelend oppervlak voor

het afvoeren van de reaktiewarmte. In tabel 7 zijn de

resul-taten van enige globale berekeningen samengevat. Minimalisatie

van het absorber en warmtewisselend oppervlak is gebruikt

als optimalisatie-kriterium van de temperatuur. Het blijkt,

dat 700C een realistische absorbertemperatuur is.

I

I

î

L ( tabel ó. nr. 8 12 mol lnr~ ) 1 1 temperatuur

o..bsorber (oe) 50 70

r

.51= 0,96,

~

2

=

0,90, -35-'0 ';0 2 in recycle 0,22 0,21 02-voeding= 1,97 mol ( H 2 = 0,05 mol) ~~02

C

I 2) naar RIO is O::~ ( ( druk is 8 bar tabel 7. temp. abs .(oC) 30 50 aantal absorber tll. 3 cl}. 0Pll. (ln) 3,45 22 ,11 3,74 23,97 (' 50 3,74 23,97 '60 3,99 25,58 70 4,62 29,61 r endementen:

~

l

= 0,96,

J

2= 0,90 ( verhouding NH 3 : 02-voeding = 1 'IT . 0 l ' •

5,

1

5) \ 2 ll1 2-voeulng lS jO %02-voeding naar RIO is 87,5~ druk 8 bar L.T koelw 5 5 10 10 10 2 mol O 2 in :3lJu:L 0,0204 0,0204 ,". T ,. ln 7,21 27,4 24,7 34,8 44,8

o

schotelafstand 5 meter, kolomdiarneter 0,4 meter

o

o

2

°

'

overall warmte-overdrachtsco~ffici~nt 1000 Wim C af t e voeren warmte in de absorber 1670 kW

temperatuur koelwater in 20°C

so

kg lT0₂ t HN0

3

1,01 1,01 w.w. opp. (m) 224,3 59,0 65,6 46,5 36,1 ~/

.-~

.

,,

---o

figuur 4 - Relatie tussen absorber-temperatuur en benodigd oppervlak

(zie ook tabel 7).

o

Jo

50

00 / :;0 i totaal opp. (m) 246,4 83,0 89,6 72,1 65,7

( ( ( ( ( (

o

o

o

o

-36-,te schotelafstand en het theoretisch aantal schotel.::; .

Ten slotte is nog ~ekeken naar de invloed van de schotel

-a{stand op het aantal theoretische schotels. De resultaten

van enige berekEnLngen met behulp van c ompu terprograrni:Ja nr.7

zijn samengevat in tabel 8. Hieruit blijkt, dat bij verkleining

van de schotelafstand van 5 m naar 1 m het aantal theoretische

schotels niet drastisch toeneemt. Het benodigde metaaloppervlak i3 eCl1ter aanzi enlijk kleiner. Gekozen is daarom voor een

~iniDale schotelafstand van 1 meter.

tabel 8. temperatuur absorber (oC) schotel afstand (m) aantal th. schotels 50 5 50 1 70 5 70 1 rendementen J _l

=

0, 96,

J

2= 0,90

verhouding 1~lI3 : 02-voeding

=

1 2

%

N

₂ in de 02-voeding is 5% 3,74 4,69 4,62 5,75 %C

2-voeding naar de reakt or RIO is 87, 5%

druk 8 bar

de geoptimaliseerde proceskondities. verhouding ammoniak/zuurstof voeàing

%

stikstof in de zuurstofvoeding

%

O

2

(N

2

)-voeding naar

HIU

rendement

RIO

(

%

)

druk (bar)

temperatuur absorber lOC)

schotelafstand (m) emissie ( kg ~o2/t HN0

3

)

2

5

87,5

96

8 70 1 2,5 - - - -absorber opp. (m2) 23,97 6,52 29,61 7,99

(

IN

Voor-waarts

(

M

Q

tv1

Q

(

G.1

8

67

-2

2

9

(

8

.1

9

79

4vU

v.ld67

-~

c

(

O.40ü<t

-5

o

2.3G79

-lU.7

~66.7

o

₂

_.3u79

1

9

8

o

.

2.

3

079

43

-37-Massa -e

Warmtebal

n

ans

dH3

~.iJ J 6

37

112

1

---n18 33

H 2 5

11

RIO

Retour

UIT

tv1

M

Q

Q

8

.1

9

79

173

L

_---F---I0.

₅₈

₇₄

₅₁

T 2(J

₉

16

1 1 I

02,

N

₂

!

vJt

I

I

- -

-I

·

KW

-Hl

8

--C

7

H15

-I

f- 1

-KW

2.3079

- - - - 256

13

~~--~---+---

155

- -

- - - -

I

C8

I