De thermische ontleding van magnesiumchloride naar magnesiumoxide met zoutzuurbereiding

De thermische ontleding van Magnesiumchloride naar l'1agnesiumoxide met Zoutzuurbereiding.

P.

Bode

W.

lloytink

1. Samenvf:'.tting over de technisch(~ uitv09.r~~n het pzoces. De capaciteit V3.."YJ. dema&Jlesiurnoxydefabriek is 50.000 ton per jaar, waarbij aangenomen is dat er per jaar bOOO bedri.ifsuren zijn.

Als nevenproduct wordt 290.000 ton van een 31:;~ zoutzuuroplossing ge-wonnen.

De zg. " edellaU[~e ", die afkomstig is va41 de kaliinclustrie, wordt als grondstof voor het proces gebruikt. Deze bes·taat uit 11~gCl2 ' KCl , en H

20 •

Het rendement is hoog doordat er geen HgCl2 verloren gaat en alles om-gezet wordt tot llgO.

De zuiverheid van het eindproduct bedraéltrst

975; ;

dit wordt bepaald door de samenstelling van de eerder genoemde I1 edellauge " waarvan ecm ge-idealiseerde samenstelling is gekozen.

De thermische ontleding va."YJ. lIgCl2 naar J::gO geschiedt in korte tijd ( ong.

7

sec) bij hoge temp9ratuur ( 500 - 900

°c ).

Gebleken is dat een gasliftreactor uitstekend Geschikt is om deze ont-leding in te doen plaats vinden. _~Iy,,,,,,

_.

Jüs gasdruk werd 2 atm. gekozen, en de temperatuür Vf1..l1 het gas ( lucht die verhit is door vertrandin[;' van aardgas) daclt over de reactor van 1115 r:aar 565 °C.

Het l':g0 wordt afgescheiden en het reactiegas, dat bestaat uit Hel, 2 2

°

en inert g8.8, wordt Ge bru.ikt OEl h8t HgCl

2 te'l''rtogen van 4 aq & naar 2 aq. Gezien de samenstelling van het reactiegas, en met name gezien de HCI -H

20 verhouding is het noodzakelijk gebleken een niet erg gebruikelijk systeem Vru1 absorptietorens te ontwerpen, ten8inde een 31% zoutzuur-oplossing te verlcrijgen •

Als Julelpunten van dit proces kunnen genoemd worden :

a. De absorptie van HCI in water. Dit is een tamelijk kritisch proces en is sterk arnankelijk van de S81I1enstelling van de gas- en vloeistof-stromen.

b. Het gehele proces is sterk afhankelijk van de samenstelling van het begin product ; met name het water[~ehal te van de voeding mag niet te sterk

r

r

"

,.."

I

~

l

varieren.

c. De verdampers zijn moeili,jk regelbaar door het teeenstroomprincipe. d. Een variabele hoeveelheid water in het gas dat uit reactiesysteem komt geeft afwijkingen in het Hel percentage.

( Dit is trouwens ook een gevolg van de teeenstroomschakeling van de absorptietorens ).

2. Inhoud

1. Samenvatting

2. Inhoud

3.

Inleiding

4.

Externe gegevens

5.

Enkele fysische gegevens

6.

Bespreking processchema

6.1.

Voeding + verdampers

6.2.

Reaktor + sproeidroger

6.3.

Zoutzuurabsorptie

7.

Motivatie en berekening

7.10

Voeding + verdampersysteem

7.2.

Reaktor- + sproeidrogersysteem

7.3.

Zoutzuursektie

7.3.1.

AbsorIJtietoren T 10

1.3.2.

Absorptietoren T 12

7.3.3.

Absorptietoren m Jo 13

1.3.4.

Drukval en diameter gepakte torens

703.5.

Nateriaal- en korrosiebeschouwing

1.3.6.

Warmtewisselaars 8. Konklusies Bn aanbevelingen

9.

Literatuur

10. Bijlagen

10.1. Berekening Verdampers

10.2. B::erekening r eaktor- en sproeidrogersysteem

10.3. Zoutzuurabsorptie

10.4. Warmtewisselaars

Magnesiwnoxyde vindt ZJ.Jn toepassing voornamelijk in

a. vuurvaste steen(in de hoogovens) < er is ongeveer 1 à 2 kg. MgD nodig per ton staal.

b. ontkiezeline van ketel voedingswater. c. isolatiemateriaal.

d. Sorelcement, in de vorm van oxychloride.

e. bereidigs\'fi,j zen van I.ig-zouten en van katalysatoren.

Van de wereldjaar productie aan magnesiumoxyde zijn weinig gegevens

./

6

bekend; de productie in de U.S.A. bedroee in 1963 onb"eveer 2.7 x 10 ton. Veel lIigO wordt geproduceerd in de Oosteuropese landen ( vnl. de D. D.R. ) en in de Sovjet-Unie, welke landen ook een vooraanstaande plaats in-nemen wat betreft de anorganisch-chemische industrie. Helaas zijn hier-over geen cijfers bekend.

In Carlsbad ( New 1:1exico, UoS.A. ) heeft de International l.:inerals and Chemical s Corporation Vé'...l1 1956 tot 1960 een fabriek in bedrij f gehad met

een jaarproductie van 10.000 ton I.:gO ( li t.1 ) •

Het hier geproduceerde MeO had e(m zeer hoge z',ü verheid < 99. 5 ~b ), en werd o.a. toegepast bij de uraniumzuivering door middel van ionewisselaal~s.

Zoutzuur wordt hoofdzakelijk toei:,;,epast als a. metaal bei tsmiddel.

b. bij de verwijderinb v~ ketel- en kiezelsteen.

c. bij de vorming van chloriden uit metaaloxyden en - bydro y..yd en , of ui t zout('>.n VO.l1 zwalcke zuren.

d. voor de winnin'-' van NH 4 Cl. e. voor de ontslui ting v~U1 ertsen

f. ved BCI gas wordt t:cbruikt voor de bereidins val1 vinylchloride, ch10ro-preen en chloorsulfonzuur.

voor or{~2J1ische chemicali~n

voor anorc,11nische chemicaliën voor de met3.é'.lproductie

:.'] metaaJ.reiniging "food processing "

voor het aanzuren van oliebronnen

49%

5

7b

17

%

7

5

b

4%

18

%

.Andere toepassingen zijn het verwijderen van oxydehuiden van metalen zie a ) -"

---( pickling metal s ).

Productiecijfers van Hel ( lito 2 en

3 )

(

1960

)

in

1.000

ton

1963

) _in

1.000

ton I tl.D.R.

84

f

/

....

D.B.R.

250

350

Frankrijk

100

'h,~)-zlt

'0

k

\

130

Italië

70

90

Zweden

110

V~'-

....

U.S.A.

920

1300

Japan

135

....

I.

S""rtelijke warmte.

MgO

c

=

10.86

+

0.001197

x

T _

208700

_tuss;en

p T2

o

')

e

o

n 1800

°c

T in oK

en

c

in cal/

"c

mAl

P •

Hieruit is b

è

paald de c

bij

525

"c,

d~ze

is

1.15

kJ/kgOC

PMgJ

MgC1

₂

-hydrat

e

n

en

-slurry

A "

tusse

n

0

-

en

t

C

t 50

0.186

MgC1

₂

-slurry

100

0.239

1CO

0.330

150

0.253

"

150

G

0.352

200

0.259

217

0.283

lit.5

235

('.286

t

in

"c

21

41

84

m"l

MgC1

₂/ 1000

m"l

H₂0

100

1 86

₁₀₀

•

cal/

g

"c

c

0.63~5

0.628

0.638

)~-l'(t

~.~

lit.5

')

De

"verig

e

geruikte

c

_p

wAarden

zijn

geschat

"p

bBsié

van bAvenstaande

gegevens.

lucht

c

_p

=

1

kJ/km"l

"c

De

waard

e

v

a

n

de

warmteinh"ud

van het

KCl

is

nag~n"eg

c"nst

an

t te besch"uwen,

vergeleken met

de

gr"te

warmte-inh~ud

van

de

Mg

C1

₂

-

slurry

ë

= G. 73

kJ /k

e

'?

C

c

₌

0.84

kJ/kg

I')C

bij "ng. 700

"c

PRCI

c

₌

0.21

11

"

PH

J

2

Beide

waerden

zijn geschAt "p basis van

gegevens

uit lito 5

11

Dichtheden.

~lucht

=

~MgO = 1

k

g

/

m

3

bij

1 a

tm.

en

25

0

C

3.2 x 10 3

krlm3

bij 825 nC

~MgC12-

slurry

?MgCL.,- slurry

c. ~MgC12.4

aq

~L1gC12.

2

aq

uit

uit

uit

üit

eers

te verd8mper

tweede

vt:rdElmper

derde

verdamper

de

spr'"\eidr"ger

Alle bl')venvermeld

e

dichth

e

den

zijn

geschet

•

111

Vnrmingswarmten.

(

1.44

x

1.59

x

1.

77

x

2. 11

x

Hel

-

gas

-

92.9

kJ/m"ll

.

H ü

2

-

gas

Ç-242.0

H 0

₂

_-

vloeistnf

-286.2

MgC1

2

-641

MgC1

₂

_·

2

8'1

-1278

-

i

cG

~K "1 i.lgv

2

·

4 eq

-1894

- , ) v~

MgC1

2

•

6

aq

-2495.8

--: r

U

KCI

--435.5

DJ 2

-395.0

CH

4

-

80.6

WgO

-610.0

8angenl')men

103kg/m

3

10

3

_"

10 3

_"

10 3

11 • )

IV

Kristallisatiewarmt~ MgJ

25,2 kJ/mol

seC

V

Verdampingswarmte

H

₂

0

Deze is bij 25 oe nul e

este

ld. Dan is

25 ')e

o

kJ/kg

130

441

155

552

('

180

660

210

794

Eveneens is de cnndEnsatiewarmte van

st')nm

bij

25

')e nul

gesteld :

~

25

I')C

o

kJ/kg

130

174

155

206

180

232

210

252

VI Viscnsiteiten •

~ ga

s

bij

5

25

n

e

3c

n

x

10-

7

kgm/sec

~

bij

825

ne

gas

425

x

1

0·-

7

11

B~ide ke~en

is

d~

visc')siteit

eeschat

op basis

ven gegevens

znpls

die vonrk')mcn in

lit.8

Het "gas"

oeterft

h<::t

gRsffit:nE,8el z')p.ls

dAt v"

.... rk"'ffit

in

dE

gasliftreactor en

in

de spr')eidr')ger

•

VII

Saffienstellin8

gr')ndst~fffn

Deze is v')')rnamelijk

gebas~trd

np lito 1

t

en

lit.2 •

Verwezen

hiervnnr wnrdt

naar nazina

.

- '~

---VIII

Therr:l'l

àyna.nis

che

ge:gevens .

----

---

-Deze

betrl')f~en

v'l')rnRffitlijk de

re8ctiesn~lheid

van

---de thermÜ1che

')ntl('din~~,

en

w~rden

geceven

in lito

9

IX

G

egE

vens

die

ontbraken.

IX Qegevens die ~ntbrRken •

De v~leende gegevens nntbraken z~ g~ed als nf geheel

Sn ... rtelijke warmte ven HgCI2-~:üur:ry1 s

Dehydra te tiewerm tes . ? - _.Lt

J:..

...

Lv-..

~(....-~ ) KristellisatiewBrmtes. ____ c~ (~ J,v..,_-t,..-&'-"'l--'/".r;:o 7'

"1

l

Dichtheden Gedrag van MgC1

2 in z"u tsy~; temen.

De b~ven8en~emde gegevens nntbreken met nRme v~lledie

bij de in dit 0ntwerp gebruikte sRmenstelling ven ~e str~m~n

en bij de gebruikte hnge tEmperaturen.

Len en And~r ver0~rzap.kte dat een schatting np S0ms ~n­

4.

}~terne gegeven~.

De capaciteit van de f.'.briek bedraagt bijna 50.000 ton Mt;;0 per jaar. Dit is bepaald op 8.000 bedrijfsuren.

Als grondstof wordt gebruikt een oplossing met de volgende samenstelling

30.7 C;~ M~C12 0·3

%

KCI .'\J J... .... vL'\.v...

tt

1\'- S~ ... ·· .. ~A....\.."-·-~ 69.0

%

H 20 . 0

De temperatuur van de voeding bedraagt 45 C; dit op grond van de voor-verwerkingen die deze oplossing heeft moeten ondergaan om deze hier

ge-bruikte samenstelling te krijgen.

De gebruikte hulpstoffen zijn lucht van 1 atm. en aardgas \;a.n 1 atm. en

water van 1 atm. en ö. : r:r·

Het eindproduct is MgO vermengd met KCI (

3

%

)

en een Hel-oplossing in

water ( 31.4

%

).

De temperatuur van het MgO dat geproduceerd wordt be-draagt 525°C en van de HCI-oplossing 40°C • De samenstelling Vru1 de afgas

stroom is lucht+ CO₂ + H₂0 17.43 kg/sec va.n 75°C.

I;'>"' r

i . i I .

. , I

6.

Bespreking van het processchema.

6.1 Voeding en verdampers.

Tot de grootste Mg-bronnen behoren de vaste zout afzettingen. Hier wordt Mg meestal gevonden tezamen met kalimnzouten. De magnesium zouten

blijven dan over in de afvoerstroom va~ àe kaliverwerkende industrie.

Een typische samenstelling va~ een dergelijke afvoerstroom is bijv.

( li

t.

2 ) :

28.3

%

MgCl

2

3·0

%

NaCl

2.0

~~ KCI

1.0

%

MgSO 4

65.7

%

H

2

0

Om enigzins zuivere magnesj_umproducten te krijgen , in dit gBval de

ui tc;angsstof M€.,.-c1

2 ' zal het ge hal te abn verontreini[çingen door

om-kristalliseren, verdampen en indikken moeten worden verkleind. Om een en and2r te kunnen berekenen is kennis en begrip nodig van het g-edrag

van bovengenoemd quinair zoutsysteem.Hoewel hiervan wel iets bekend is

( li t. 4 ) , bleek berekening van bovengenoemde procedures veel te g

e-compliceerd te worden. Daarom is aangenomen dat de voeding de vol rende samenstelling heeft :

30.7

5

;

llgCl2

0.3

%

KCI

69.0

7~ H

2

0

Een verdere zuiverinG van deze voeding is dan niet nodig. Verder in-dampen geeft een goed uitgangspunt voor de reactie naar l:g{). Dit

pro-duct zal dan, t.g.v. de aanweziclleid van KCI, iets meer dan

97

%

zuiver zijn ( KCI :

2.9

9& ) • Dit is voldoende voor de meeste toepassingen. 7..oals reeds is opgarnerkt i s het noodzakelijk dat het watergehal te van

de oplossing verü:agd wordt. D:,ar er in dit z:;utsysteem sprake is van een zeer sterke kookpuntsverhoging ( l i t.

5 )

blijken drie verdampers het meest geschikt te zijn.

Di taantalwordt bepf_aId door de lcookpuntsverhoging, door de hoeveelheid water die verdampt moet worden en door het feit dat er tenslotte een

slurry overblijft, die bestaat uit :r.:gCI2.4 aq., dat bij de gebruikte

r

. .

·'····'·

I 5 . I , _i r

temperatuur ( 180 oe ) gesmolten is in zijn kristalwater ( lito 6 ).

Ui t dit laatste feit vol[;1; dat een meertrapsuitvoering noodzakelijlc

is. Verder is het aantal verdampers vastgesteld door kostenvergelijk

met de benc'digue hoeveelheid stoom. WarmtG e.:':onomisch bleek

tegen-stroom de gunstigste uitvoering te zijn; deze oplosdng is

regeltech-nisch minder eenvoudig. De temperatuur van de oplo:3sing in de verdam

-pers stijgt van 130 oe via 155 oe naar 180 oe.

In de derde verdOll1per wordt stOC>ID van 210 oe en 20 ata gebruikt. Het

zal duidelijK zijn dat dze uitvoering hoge eisen stelt aan de

regel-tech..l1iek. H s druk in de verdampers is gekozen de druk van verzadigde

stoom, behorende bij de temperatuut van de oplossing. De oplossingen

worden tussen de verdwnpers verpom:rt met behulp van centrifugaalpompen.

De vrijkomende hoeveelheid stoom uit de eerste verdamper kan weer VEorden

gebruikt i11 de warmtewisselaar H-11 in de Hel sectie. Op het P.F.D.is

dit ter wille van de duidelijkheid niet expliciet vermelde Er wordt Dl

o

de verdampersectie

3.19

kg stoom per sec. van 210 e en 20 ata gebruikt

om

6

k& water per sec. te verdampen.

Voor het vrijkomende condenswater (

3.19

kg/sec Va.l1 210 oe ; 2.82 h:g/sec

van 1

eo

oe ;

2.35

l:-s/sec Ven 155 oe ) is ( nog ) geen specifie.k doel

gevonden, alhoel"181 [;-edacht is aan voorverYlarming van de voeding

al-vorens deze de in dit proces niet-beschreven flash inclampers ingaat.

6.2

Reactor en sproidroger.

Daar de thermische ontled:L.'1g van I:IG'C1

2 eisen stelt aan de ilOeveelheid

water waarmee het reageert, is het noodzakelijk het \111tergehalte van

de slurry verder te verlagen.

Daar dit in verdanpers technisch onui tvoerbaa.r is in verb~;nd met

aan-korstingen, is naar een andere oplo:3sinc; c;ezocht.

In vroec:;ere jaren (

195

G

-1960 )

is in de U.S.A. bijvoorbeeld gewerkt

. met eon roterende oven. Gebleken is echter dat deze hier onbruikb2,;-"r

is. &rekeningen wezen l1a.:,lelijk uit dat bij de gebruikte voeding

Verder is het slechte contact tussen de vaste stof en het gas er de

oorzaak var, dat grote hoeveelheden gas nodig zijn. In de pr,û:tijk

is ook L70bleken dat Cf' bij het drogen onder de vereiste conditics

( temp. 250 oe ) reeds omzetting pla~i,ts vindt hetgeen minder gellenst

is omdat dit in eon roterende droger aanleiding geeft tot at,n;wrstingen

met stillegGen als gevolg.

Een sproei droger bleek de s'Cillgewezen wee te zijn voor de dehydrD.tatie.

De 'berekening van dit apparaat stuitte, ondanj(s vele rel{enre{~eJ.s,

zo-als die van j:iarshall ( lito 7 ), op onvcr':racht ved probI8f;len. De

ge-noemde regels blij:;~en nl. niet var.. toepassin(; te zijn op de hier ge

-bruikte hoeveelheden, waar extrapolatie van de besta,'~nde forfJules de

,J'"" ti '

or- J (

','

, \J Cv\ onjuistheid van de verrichte handelwijze <:antoonde o.a. doordat

'\)-yJ ol ,- v,"\

l:

,r--

,

,_,'<--.<',...\

temp. va}~ 10.000 oe nodig zouden zijn) • Om toch nog enig idee te ':,./".,1.",,,-_, ~ 1 _{c nnen} k _.-rlJ" _{-:.,'cn va.n} d _e d' _{lTIlenSleS van c.e e}, en 1 f'f_{' 'lel}' 'ë _{,ncy V<:ll} d _{e spJ~oeJ.(1ro}' . _ger

" v '~ .. "-\

" )

"'\ . ...,_.,

,,,' zijn met behulp van literatuur gegevens ( lito 8 ) globale afmetingen

"" )..'

" Ir

" ge::.chat, de tempGraturiL:n voleen uit de warmtcbaJ,ans.

Bij de sproeidroG'er is uitGegaan van het feit dat de vaste stof een

zeker \ïater:~~~hal te heeft, dit in verband met de omzetting. Het beste

../ 'v' ...

' •. 1

blijkt deze pla,:;:ts te vinden bij een verhouding 1,:gGI2 : H

20

=

1 : 2

zodat gestreefd is naar MgCl202 aq als uitg-angsproduct.

De vermindering van het watel'gehal te vind.t plaê.ts met l)ehulp van de

,,\_ "afgassen die vrijlwmen bij de reactie. De

l ' ",y .~ v J ' 8 · ~ 11 0 ,v-" S I men[';E;e. 18 • I ~;'; 2 . • ,_.rl"." " , / \ ) ~ ~ 13.7 ~ Hel ... " r > " I

",r

:;.i\

'V'.l

78.2 5;J inert gas ( lucht + CO 2

'" J

;y/

De vloeibare vGedLl1.g lwmt binüen bij 1[30

.~

~

.

_'j'-1""

,),

(ÁL- 1 _{een re[',C'lJor}

~

,,_ulJ "

5

_ti

'-

5

oe _• p _:ce'L _{t. prouc}d _' t" _L[,ï,; .... l ₂

droger bij 275 oe tenvijl het cas van 275

stelling 13.8 5J ILO

12.9 (l/ IJ 216

72.3 r./ inert ( _{lucht e0}

2 )

IJ \ +

Oe

gas uit de nog te bespre

-• 2aq verlaat de

sproei-oe met de volGende S8!:Jen

Gelwzen is voor een teg8l1iJtroomui tvoering in de sproeidroc:;"Cr omdat

dit als voordeel heeft boven het gelijlcstroomprincipe dat er geen

grote cycloon nodig is, dat er een betere stof-en W'd.rmteoverdri'..:.cht

is en daardoor een kleinere verblijftijd Det als cevo:hg kleinere

afmetingen.

Via een tussenbun;(er wordt het Mf;C1

2 • 2 aq naar de reactor gevoerd.

Amlgezien de reactie in zeer korte tijd reeds vol~edig is, is getracht

vm1 dit feit gebruL~ te maken ( lito

9 ).

In de gasliftreactor worden door de hoge gassnelheid de deeltjes met

het gas meegevoerd, waardoor de verblijf tijd die o.a. bepaald wordt

door de reactiesnelheid klein zal kunnen blijven. De ke.ns op

aan-korstingen zal daardoor sterk ve:cmindoren • De vaste stof wordt

on-derin de ree.ctor in een soort mengkamer geleid vmarbij ui tera~:.rd

ge-streefd dient

te

worden naar een zo gelij:illlatig~Flogelijke verdeling

over de doorG..l'1oe. De gasliftreactor is l!li n of meer afceleid van een

Gerdergepl&nde flu~d-bed reactor, nadat verschillende berekeningen

hadden ui tgewez8l1 dat deze onuitvoerbaar was. Hierop ïlordt later

teruggekomen ( hoofdstuk

7.2 ).

De re2ctie vindt plaats met behulp

Vm1 hete lucht van 1115 oe. Deze komt uit een brander waarin de, eerder

in een compres30r op 2 ata gebrc.chte lucht, door het verbra.."'lden van

aa.rdgas op de genoemde temperatuur is gebracht.

Het gas/vaste stofmengsel wordt gescheiden in een cycloon; de gassen

gaan na'::T de sproeidroger , een Goede wijze om het !,:gû af te koelen tot

handel bare temperatuur ( uit de reactor komt het LgO bij

525

oe ) zou

mogelij:·~ het voorverwarmen van de te gebruil<:en lucht kunnen zijn. Een

en ander moet ook door een ekonomische beschouwing bepaald worden.

6.3

Zoutzu~~absorptie_.

Ret uit de sproeidroger 2.n~o[,1;3ti8'e eas bevat

3·05

kt/sec EGI

3.25

kg/sec II 20

17·40 kg/sec inert

T ::::

275

°G

P 1.7 atm

AJ spoedig bleek dat een direkte absorptie van dit wel zeer verdunde

gas niet tot e8l1 voldoende geconcentreerde HGI o:rüossing zou leiden.

Da2.rom is o. a. naar awleiding van het systeem, bescllreven in li t

gekozen voor het voleendc schema :

De hete Gassen Vlordr:m geleid onderin een gepakte toren ( T-10 ). ?ovenin deze toren Vlordt een geconcentreerde zoutzuuroplossing (

31.5

;0

)

gepompt,

met een t eJ;'lperatuur van 70

oe.

De kolom dient nu als HCI stripper en

teGelijk als ~O a1:Jsorber • Bovenuit komt dan een gas dat voel meer

Hel en veel minder H

20 bevél,t: 7.20 ;--;:g:/sec HCI

0·93 ){c/sec H 20

17

.40

l<c/sec inert ,bij een temp.

va.n 160

°c.

Onderuit komt een verdund zuur (

13

%

)

van 90 °C.

Het meer geconcentreerde HCl-gas wordt in de tweede toren ( T-12 ) in

gelijkstroom in conü ,ct gebracht met een v<3rdunde ZOi.l.tzuuroplos!:,ing ( '21

jb

,

'r

== 93 oe ). Deze kolom bestae.t uiteen croot ae,ntcl verti-kaal opc;estelde buizen, waarin natte wand absorptie plants vindt. Om

de buizen heen binnen de bui tem/and van de koJ om, stroomt koelwater.

Hierdoor kan de vrijkomende warmte bij de absorptie worden afgevoerd,

zelfs kan de Hel-oplossing worden afgei-:oeld tot 40 oe. Het is hierdoor

mogelijk een nCl-oplos,sing van 31.5 gei'l.-~0 te bereiken. Het onderuit

de kolom komende zuur wordt in twee stromen Gesplitst : een deel

is produot ( 9.70 k:::;/ sec ) , de rest gaat naar to:con T-10. Om dalJ.r gebruiJcG te krumen worden is verwart:!ing nodig van

40

oe néar

70

oe. Dit gebeurt in een Jllet stoomverhitte vlarmtewissel ::.ar ( H-11 ).

liet gas uit kolom ~~-12, met 2.90 kg;' sec Hel en naUïrel i j ks nOG

water-damp ga..3.t Daar toron T-13.

Bove2:1in deze gepaJ;:to toren lwmt het verdund e zuur uit toren '1'-10,

aan-gevuld met juist voldoende water om de concentratie VD.n het eindproduct uit l;:olom J:'-12 op 31.5 ;~ te houden.

Om de concentratie van het zoutzuur in het einde,as nihil t e m<!J:e.'1 T.lOet

de vloeistof bovenin kolot:! 'l'-13 afcekoeld zijn tot 30 oe. Er bevindt zich

tussen de torens T-10 en T-13 clan ook een w.ljámtewisselaar ( H-14 ).

Onderuit T-13 komt een 21-5~ BCloplossing, die naar 'r-12 wordt gepompt.

geen H01 meer bevatten. Volgens de berekeningen is de partia&lspanning van het Hel 0.5 à 1.0 x 10-1 mm lig. Dit komt neer op een Hel-emissie

van 50-100 keJuur. ilë.ar deze hoeveelheid niet onaa.nvaardbaar lijkt nog-maals, ideaal geen Bel meer ) , kan de zaa~< uit de hand lopen bij

storingen. Daarom zou een alternatieve mogelijkheid kunnen zijn : de laatste toren in tweeën splitsen, bovenin alleen water in voeren, zodat in ieder eeval de evenwichtsdampsparuüng van het zoutzuur nul is, en dan wat lé4:,"Br de 13-~ oplossing uit kolom T-10.

Een andere mogeli.i;~heid zou zijn een speciale vierde kolom, wc.c1.rin een

basische oplossing , bijvoorbeeld van Hg(OH)2' wordt rondeepompt, en hierdoor de afgassen leiden. Na eventueël geneutraliseerd te zijn kan

de dan gevormde EgCl

2-oplossing aan het beé.'i.n van het proces opnieuw worden ingevoerd. Dit is natuurlij;, wel een zeer kostbare methode.

rr

-

~'

I

t

i

7.Apparatuur : Tiioti vatie Em berekening.

7.1 VoedinG en verdampersysteem.

In de verdampersectie moet het watergehal te van de voedinr;sfjtroom

word8n verminderd van

9.0

tot

3.0

kg/sec, dit op 4.0 ;~g/sec BgC12

en

0.05

kgl sec J~Cl.

Hie:-voor is een warmteeconomisch gtillstige serie van drie indampers

met stoom in tegenstroom gekozen, (waarbij trouwens op het proces

uit lit.1 is gelet ). Het grootste bezwaar van deze oplossing is

de moeilijl:e reGelba2,rheid van zo In eenheid, terwijl het voordeel

van de w1lrmteeconomie slecht is uitgebuit, omdat de aÎvoerstromen

van de e;ekondenseerde stoom niet gebruikt is om de voeding, die het

proces binnenkomt bij 45 oe ~ voor te vervrarmcn tot bijvoorbeeld

tot 100 oe. Hoewel hiervoor eGn extra warErtewisselaar nodig zou zijn

zou de benodigde hoeveelheid stoom kunnen dalen van

3.19

l<d sec tot

ongeveer 2.65 kg/sec , en zou de eerste indamI)er beter kunnen ,Y0rden

benut!

De hier gevolgde werkwijze kan als volGt in een schema worden

weer-gegeven

c

l)l

c

.,p3

I

--1" i,"P.1 Tt. 1'2

T

3,PJ ~ Bo

--

-H-2

H-3

H-5

"B

1 B2. Cl. 2

•

CO'-l

.-B3

r

--f"

I - I t

waarin }3 0 de~ voedingsstroom is; B1' B2' B3' de ui tga~nde s/trom~]: uit de

indampersj' C

D4

de c3ftoom(T..naG.r ,~e laatste verdamper; CD1 ' CD2' CD3' de

ge-produceerde stoom; C

12' C13' C14 de gecondenseerde stoom; en T1, T2, ~:3

en P1' P2' P

3 de temperaturen en drukk~~ L~ de verdampers zijn.

De volgende massa en warmtebalansen kunnen worden opgesteld

BO

=

B₁ + C_D1 C D2:::: CL2 BO x H B + 0 C D2 B 1 x H_ 15 + CD3 1 B 2 x

H

B

+ Cnq. 2 hierin is

H.

1

H.

₌

c x ( 1 _Pi x x x de '1' . ₁ HC D2 H C D3 nC D4 :::: :::: B 1 :::: B2 + CD2 C D3

=

C13 B 1 x K15~ . +

Cm

1 B 2 x

H

B

+ CnJ ... 2 2 :::: B 3 x

H

B

"

+ CD3 . ) x x x

warrnteinhoud van stroom

°c

T.

) met f'1 25

-

.1. • = 10 10 HC D1

H

C D2 H C D3 i :i.n ~ + + -it B 2 :::: B3 + CD3 C

D4

::::C

L4

C L2 x HC L2

,.,

x HC "'13 13 C 14 x HC

14

k~T/kg ; _,

11

/\IV'-<A... .. j (;t )

-i \ #~-~ . I tuj,v) ..

-=-

-)

Dit zijn

₉

vergelijkingen met 22 variabelen. Be~<end zijn de volgende

stromen :

Î

(. !. '. L

7.05

k j sec 11 11 11

Omdat de temperaturen vastgelegd zijn, zijc de warmteinhoudcl1 van BO'

.

---B3 en van de stoom en condensstromen dat ook. Voor de cp van EO e11 B

2

Ü /jt:.~ '''-'"", ~ .;.~ t)

"

1"#t..4-r

{.-I(/., '.'

;~-zijn waarden aangenomen, die ne. de eerste bere::ening eventueel g

ecorri-geerd konden worden ( iteratieproces) Q

De waarden zijn

H

_B

₌₌ c x ( _t

_-

₂₅ ) :::: _2·73 x 20

=

_54.6 kJ/l.;:.o; PB 0 0 _·0

H

E

= = 2.73 x 105 ::: 287.0'·'l'.J-kg 1

H

B

₂ :::

=

2·31 x 130 ::: 300.0 l·~J/kg

~3

::: :;:: _1·39 x ₁₅₅ ::: _215.0 kJ/l~g

..

\.

,'. \ "

Er blijven da..'1.

9

vergelijkin,;;en met

9

onbekenden over.

Oplossing geeft :

13

0

=

4 kg/sec

MgC

1

2

0.05 J:gjsec KCI ·9·0 kgl sec B 1

=

11

"

8.17 11 B 2 = 11

"

5·82

"

, B3 11 11 3·00 11 C D1

=

0.tl3 kg/sec C

n'"'

>L

--

2·35 11

=

CL2 C D3 = 2.82

"

= CL3 C D4 == 3·19

"

== CM P1

=

2·7 atm

"

\

p 2

=

5·5 ë..tm I

1'3

=10.() atm ~ _{==20.0 atm} P4 Samenvatting e

°

1 verdamper '1' =: 130 C P == 2.7 o.tm

in : B

0 - 9.0 kg/sec H20 j 4.01edsec IgC12 0.05 kg/sec KCI C

D2= 2·35 kij sec stoom va..'1 155 °c uit: B

1 = 8·17 kg/sec H20

,

.

4.0 kg/sec El:,rC12 0.05 k:;/sec KCI

C_L2= 2·35 leG! sec condenswater van 155 oe C

m

= 0.83 kg/sec stoom van 130 °c'

2e veràamper T

=

155 oe P

=

5.5 atm in : B 1 ~.17 kg/sec ~O ; 4.0 kg/sec F{!;C12 0.05 lcg/sec KCI C D3==2 .82 1<d~3ec stoom van 180 °C uit B 2 =5·82 k/sec H2C ; 4.0 k.::/ sec rgC12 ; 0.05 kg/sec KCI C

L3=2.82 kt! sec condensw"ater ven 180°C

C D2==2.35 kg/sec stoom van 155 oe 3e Verd31'ilper

rr

== 1130 °c P =10 atm in : B 2 =5.82 kg/sec H20 ; 4.0 ke,lsec LgCI2 0.05 kc/sec KCI C D4=3.19 l,gj sec stoom V3Jl 210°C uit B3 =3.0 l~dsec H 20 ; 4.0 :"j sec lff:,o-C12 0.05 t,jsec I:CI CL4=3.19 leg/sec condensnater van 210°C C])3=2.82 kg/sec stoom vLm 180°C H 20 45 °c 130 oe 180 °c

!'1

'··'

r

·

k)

Een grote in:wnsequentie is nu dat voor de soortelijke warmten van

de in te dampen oplossingen wèl die van de manesiumoplossingen zijn

genomen ( al thans geschatte waarden ), maar dat bij de bepaling van dal!lpSpanningen etc. net is geciaan of zuiver y;ater nerd ingedampt. In eerste instantie is dit gedar.n omdat bij deze hOf,'e concentratie

en tempGratuur niets bGl~end scheen te zijn VGn kookpuntsverhoging etc.

Materialen en corrosiebeschouwing.

Bij de verdampers hebben we te maJ\.eD met temperaturen van 130 - 180

°c

en met een iice;Cl2-oplossinc: die tot 60 ~b geconcentreerd is.

1,;e.terialen die kunnen dienen voor de besleding van de bim:;emrand varl

de verdampers zijn bijv.

nilcel op constructiestaal

emaille

of

Ook lQUmen legeringen Z02~S ha8telloy, durimet-20, inconel of durichlor

gebruikt worden. Een en and.er hangt af van een kosten-ver,elij!;cnd

.onderzoe}-ç: •

B '

e

c P D H P T

Lijnt var, symbolen, gebruii<t in hoofcL;tuk

7.1

mas:=;astroom massa stroom soortelijke warmte rnassastroom warmtcinhoud druk temperatuur kg/sec ks/sec o lcJ/kg

e

kg/sec kt.T/sec atm

oe

7.2

Sproeidroger en reactor systeem

De motivatie van de keuze Vcill de sproeidroeer is in feite reeds ge-daan in hoofdstuk 6.2 •

Zoal~' hiervoor is aangestipt, is ûanvankelijk voor de reactor ge-dacht aan een fluïde-bed. Dit bleek echter na veel berek.eningen en ;, benaderingen wel zeer onpraktisch te zijn. Zo zou de benodigde

ver-blijf tijd in het bed oplopen tot ongeveer een uur, terwijl enkele

se-conden ree~ s voor de reactie voldoende zijn. Er is dan ook gelwzen voor een gasliftreactor ( zie ook bijv. lito 11 ).

De voordelffi1 boven een fluîd-bed zijn naast de genoemde kortere

ver-blijf tijd de daaruit volgende kleinere hold-up, de kleine doorsnee (

weinig i.~rondoppervlaJ.( nodig ) en , door de korte verblijftijd,

min-der kans op ai nlcorstin.;en. Deze a31lkorstingen bleken nl. volgens li t. 1 in een roterende oven grote problemen te geven.

De berekening van de ~assa- en warmtebalans van de spro·:üdroger en de gasliftroactor staan in nauw verband met elkaar. De hier volgende me-thode om tot het eindresultaat te komen is een wat vereenvoudigde

weer-gave van de gebruikte werkwijze.

Er is vrij arbri trair een druk in het systeem gekozen van 2 atm. Deze

druk maakt de Hel absorptie evenwel aanzienlij~,: gemakkelijker. Om-dat de omzetting EgC12 ~ l.;gü aan een minimale temperatu·,-r gebonden is ).~en de temperaturen van de stoffen die de reactor verlaten worden vastgel egde

Voor de ,=,assen is dit ook de inc}mgstemperatuur van de sproeidroger.

De temperatuur van de te versproeien vloeistóf is gegeven.( uit de

laatste verdéllllper ) • Ook voor de sproeidroger is er een minimde tem --peratuur voor de o:iizett.in-:; 1,:gC1

2.4 aq ~ EgC1202 aq • Kristallisatie

en derçdl~atatieVlarmte kunnen bepaald worden, zodat de benodis·de hoeveelheid ~annte in de sproeidro~er vastligt.

Tezamen met de in- en uitgangstümperatuur kan dan de hoev(~elhcid gas

berekend worden, als even een gemiddelde c _p van het warmtedr~gend gas

Omdat dit gas uit de reactor komt, ligt daé:Tvoor de hoeveelheid gas

nu vast. De ui tgangstemperaturen waren ook bel<:cnd, evenals de ingailcs

-temperatuur van het vE.ste 1~e;C12.2 aq. De dehydratatie- en reactievrarmte kunnen berekend worden.

Omdat oo~c in de reactor de benocligde w2.rmte door het gas geleverd r.Joet

wOJ:den, kan, na ar,nname va."YJ. een c , de ingangstempcratuur berelcend

p

worden.

VlacI' deze temperatuur bereikt wordt door het verbranden van aardgas kan

uit de~H van de reactie CH

4

+ 2 02

hoeveelheid CH

4

(

aardgas ) kan dan

bij aangenomen dat de samenstelling

aardgas 90 ~ •. ~ CH

4 en 10 ~,; N2•

~ CO

2 + 2 H20 . De vereiste

bepaald Viorden. Voor lucht is da

ar-is : 80 'r~ jij ,20 ~:b 02 en voor

. 2

Nu kan de c van het g:asmencsel worden bere~:end, waarna de berekeningen p

nauwkeuriger herhaald lmnnen worden.

Eovendien kbn, ah; de hoeveelhcc:81 lucht en aard[;as bekend zijn, er

rekening worden .r;ehouden met de wa-rmte die vrijkomt bij het komprimeren

van de lucht tot 2 atmosfeer druk.

De sproeidroger is beroJ:end in gelijJzstroom waarbij aangenom&l is dat gas en vaste stof aan het eind gelijke temperaturen hebben. Dit is

na-tuurlijk nooit helernad te bereiken. In het flowsheet is later echter

aangegeven dat de sproeidroger in tegenstroom wer~d. Hiervoor zijn {;8E:n nieuv:e berekeninGen gedaan, maar ol' het eerste Gezicht lijkt het aan-l1eJnelijker dE:~ gelijke uitC1ill.gstem~)eratuI'en v~.;n gas en vaste stf dan

wel haalbaar zijn.

De sproeidrot";er wordt verondersteld vaste deeltjes vm C;Grniddeld 500

p.

te produceren, met een deeltjesgroottespreiding Vélll

9

6 ;0

tussen 250

P-en 1000 )J.. •

Een groot pro Lleem was dat veel fysische gegevens over de t e g-ebruilcen stoffen bij deze hoge t emperaturen ol1vind1:Jaar waren. Er zijn dan ook

nog al wat aannaTae)'~ gedaan met als Govol,,' daarvan onn:,m:;lceurigheden.

l:i:en ekonoui sche optimalisatie was del'! ook niet mogelij~:.

Bij alle ber8-::enin~;en is de enthalpie bij 25 oe op nul gesteld.

"

r"rY!~

,

llassabalans :

Er is van uittegaan dat de thermische ontledinc zal plaats hebben met

1:igCI

2.2 aq •

Vanda&.r dat in de sproeidroeer het LgC1

2.4 aq gedehydrateerd moet

wor-den tot !"!GCI

2• 2 2,q •

In gaat dan 7.0 kg/ sec J.!~CI2 (42 mol. per :3 ec )

0.05 kg/sec KCI

Uit komt

5.55

i::g/sec 1,its"CI

2

.2

aq

0.05

kjsec KCI

1.45 ke/sec H

20 (gas)

In de gasliftree,ctor vindt cie omzetting plaats volgens

MgC1

2.2 ag, ~ MgD + 2 HCI + H20

In de reactor komt

5·55

kg/sec MgC1

2·2 aq ( vast)

0.0

5

kg/sec KCI (vast)

Uit gaat 1·70 kg/sec

1

.1

(

:

0

(vast)

6.05

kc/sec !\:CI ( vast)

0.80

kg/sec H

2

0

(gas)

3·05

kg/sec HCI ( gas)

Op de hoeveelheid gas die gebruikt wordt voor de opwarming etc. wordt

in d.e berel~ening van de warmtebalans teruge;ekomen.

Warmtebé:.Ians :

Omdat de r2actie tot I,lgO boven

50

0

°c

pas goed verloopt, is als

uit-gangstemperatuur voor de vast e stof ge~ozen

525

°c

(

lito

9

) .

Daar de gadiftreactor in gelijkstroom werkt, zal de eastemperatuur wat

hoger l iggen, stel

565

°c •

Deze temperatuur is ook aangenomen als ingangstemperat'.lur voor de

gas-. sen in de sproeidroger. De vloeistof ko~t binnen bij

180

0C ( zie

hoofdstuk

7.1 ).

Als uitgangstemperatuur v@'"! de vaste stof en van het

gas is 275

°c

gerekend. Bij deze temperatuur wordt de vaste stof ook

Dus ingangstemperatuur reactor vaste stof

275

oe

ui tgangstemperat.uur reactor vaste stof

₅₂₅

oe

11 11 11 _gassen

565

oe

ingangstemperatuur sproeidroger vaste stof 180 oe

"

"

gassen

565

oe

uîtgangstemperatuur sproei droger vaste stof

275

oe

11 11 11 _gassen

₂₇₅

oe

Bij het opstellcm van de warmtebalans is gesteld dat de enthalpie

stof nul is bij

25

oe. Bij 0 de enthalpie dan

van een T C wordt

.

.

~ x ( T -

25 )

x c . Eventuele reactievrarmten, overgangswarmtc<Yl

m p

etc. worden ook op deze wijze herleid.

Voor de berekening van de sproeidroger-reê.ctor sectie wordt Ver\7eZen

naar hoofdstuk 10.2 •

Materialen en corrosiebeschouring.

Bij de sproeidroger en bij de reactor is sprake van een sterk corrosief

milieu : een mengsel van HCl en H

20 damp bij hO,;e temperatuur.

Grafiet op staal kan hier misschien ui t\oms-G brengen.

f.!"-

7.3

Zoutzuurabsorptie

7.3.1

Abs

orptietore

n

T

10

De exakte

berekenin~

van

de eerste kolom was

ons niet

moge-lijk:

de kombinatie

zoutzuur-stripper/water-absorb

er

vereist

zov

e21

rekenw

erk

dat

Gubru~k

va

n

een

cOD~uter

noQiS

j.s.

1 r:1 -.-C".~l

een

massa- en v.Jar

mte

balans, rekening

houdend met

het

evenwicht

HC1-H~O.

L

lliJd t. HC!-?urlin!c!rud:e PJlGJ fQr \'C:! ,dlicdcne

T(,lllp'>l<1lurCll (ddrQcstellt als D,,!t:pfdru~ke des reinel: V\'f.:.scrs ~11J..O) in Abhli:19ilJkcit yon der

ITCI-KGnzelllratio!~ (; in (kr f]ü"igcn l'nasc

(Dnrslcllur,g nadl Olh~el)

Er werd

aangenomen

dat

de gassa

-menstelling

bovenin in evenwicht

was

met de

vloei

st

of. Dit zou

be

-tek

enen

(vole;ens

fig.

en

3

)bij

7c~ci

en

z

outzuur van

31,5%

:

PECI

0, L~O

atm.

PH

2

0

=

0,11 atm

•

De totale

dru

k

z

al

weinig

veran-deren over de kolom;stol

dat deze

1,70

atm

.

blUft,dan

wordt

p

inert

1,19 atln.

(

was

1,1

8

).

Dus

de hoeveelheid

gas

in

de kolom

is

niet

afgenomen

.

Aan

G

enomen

i

s nu dat de

Bassen

idea

&l

zU~ ,

zodat

dan

de druk even

redi

f

is

met

het

aanta

l

molen

van

elk

[~es.

Ond

er

in is

de molverho

u

ding

HCl/1

-L

,0

=

O. !{-7

c.

Bovenin

HCl/B

₂

0

=

?8

fig \

Er blUkt dus

een sterte

v3rr~king

aan HCl ulaats

te vind

e

n,

terw~l

het

wat

e

r

gehalte

van het

Gas

daalt

.

,..,.-' . t·

! !

Een massabalans

luidt

dan:

In:

gas

:

3

.

25

kg/sec

H

2

0

3.05

, ,

HC

l

17.40

, ,

inert

liq:

A

, ,

HC1-o

p

l.

Uit: gas: 0.93 k

lj

/s

e

c

H

2

0

7.20

,

,

H

Cl

17·4

0

,

,

inert

liq:

B

,

,

HC1-opl.

Dus

(

3

1.4

,! ) IJ : (

C

7

_'

6

1

)

: (

0.686

A

k

g

/sec

,

,

I?~l-C

).

kg/s

ec

_H2

0

100

B.C

kg/sec

HCl

100

--3.25

+

0.

686

A

~0.93

+

B.

(l-

C)/IOO

3

.05

+

0

.

3

1'-1

·

A

=7.2

0

+

B

.C/IO

O

) te kiezen

A

,B

o

f

C

Geko

zen

is

C

:

de

conce

nt

ratie van

het

ko

mende

zuur is 13

%

.

(

onder uit

de

toren

Dan wordt A (hoeveelheid

3

1.4

%

zoutzuur b

ov

en

in)

21

.1

5

kg/sec

B

(ho

eveelheid

13

%

zoutzuur onder uit) 19.32

kg/sec.

In

de warmtebalans blee

k

de bepaling

v

an

de ebsor

pt

ie- en

desor

p

tiewar

mte

, zoals uit

ge

voerd voor de

and

ere

torens,

volgens

l i t 1

5

, niet nauwkeuri

g genoee

.

De

absr~)tie\·!2T,.;te -..j2.rl

d

,

:; -,

'

Jaterda:

T

lp

is nu

bepaald

als

de

kon-densatie war

m

te tussen

de

g

em.

gastemperatuur en de

ge

m.

vlo

e

i

stoftemp

;O

mdat

d

eze

beide temp

.

ni

e

t

beke~~

varen

,

voor

de warmtebalans

was

op

ges

teld,

moest een

schat~lng

gemaakt

worden van de

ge

m.

g

as en

vloeisto~temperaturen

en daarmee

v

an

de uit

ga

n

gst

emperatuur.

ben

itererend

e

berekening gaf een

vrU

re~le

waarde.

J"," 'W' I i __ . I 1

.

\f.larmtebalans.

G

a

s in:

(

H

=

ç6

xC

X '11)

m

p

BCl

5

.05

x 0.84 x

(

275-25

)

₌

640 kJ/sec.

H

₂

0

3.~5

x 2.10 x

(27

5

-25)

=

1'700

kJ

/

sec

.

inert

17.40

x

1.09

x

(27

5

-2

5

)

=8&860

kJ-/sec

.

6900

k

J/s

e

c.

HC1-opl.

uit:

2

1.15

x

2

.80

x

( 70-25) =

2690 kJ/sec.

9570 kJ/sec.

gem.

vloeistof temp.

80°C.

gem. gastemp. 220°C.

H

2

0 absorptie

van

220°C.

80°C.

HCl

desorptie van

80

0

e)

220

°C.

Uit:

Vlo

e

i

s

tof:

Gas

.'

HC

1:

H 20:

inert:

19.

32

7.20

0.93

17·40

x

3

.70

x

(

91

-

25

)=

x 0

.8L~

x

(1

60

-

25

)=

x

2.10 x(160-25)=

x

1.05

x

(160-

25)=

4720

820

260

,gLI-70

8270

kJ/sec.

I 1 I 1 f'"

:--

1

1 -" ~

~lIrge-1_{,- thldrllckc PIlCl, -f"} Hel- cr , ) t i [ B 'I' 2 (rp.chts), P rtiaJclrllcke r

II

~O

, 'I 1 C , H,O- (I , . • SlIll negen die . , '1 clt" J~l1l\ cn tragen _' " _{H ,} C'! /I'! _~ 0 _, gcstnc 1 .. das System extrapoliert .

rr·-7.3.2 Absorptietoren T 12

Voor de tHeede toren van de Hel unit ts gekc7en een toren metvertikale buizen

"'1aélrin natteHand-absorptie plaAtsvindt tussen gas envloeistof in eelijkstroom

Om de bui7.en heen is koèling mogplijk md wéltcr.

Bovenin de toren komt f'~ s (1 "'-noC): 7, 2n kr/ :=:ec. Hel

n,43

,

,

17,4n " inert.

Onderuit komt gas en vloeütof: 31,4,

;b

HCI btj 40°C. De7e zoutzuuroplossing

vlOrdt gesplitst in ti'lee delen: 21,15 kg/sec naér toren T 10, en produkt.

De hoeveelhf.'id produkt komt overeen met de hoeveelheid zoutz,uurgas uit

reak-tor en sproeiclróger (= 3,05 kc/sec. ). Dit p.:reft dan 9,7 n .kf/sec HCl opI.

als produkt.

In tot2éll dan onderuj t de kolom

3

n ,85 kg/ sec. HCI (31,4 %) op1.

De gassamcnstellinf volgt , als evenwic~!t vJorclt aaneenomen , uit de vloei stof

samenstelling en de tempera tuur.

Deze zijn: 31,4

%

Hel en 400_{C. Dan PH 0} = (). nn3', k. o.m.

n,03

kg/sec.

2 ₌

0.198 k. o.m. 2,90 kg/sec.

PHCl

Pinert '? 1,499 k.o.m. 17,40 kg/sec.

Uit een massabaléJns over de toren is de hoeveelheid ECI-oplossing die de

toren bovenin binner~omt te bepalen.

Hel: In: Gas 7,20 kg/sec

Liq A kg/sec, B

%

HCI ='A.B/1nn kg/sec Hel

Uit Gas 2,90 kg/sec

Liq 3

n

,85 kg/sec, 31,4

%

= 9,69 kg/sec Hel

Dus A.B/1n_{O= 5.39}

H

20 .In': Gas n,93 kg/sec

Liq

A(1-B)/10n

kR/sec.

Uit Gas Liq Dus

n,03

kr/sec 3 0 , 85 • 0, 6 f'6 = A(1-u,)/1no 21,16 }<pjsec. 20,26

Dit geeft : A= 25,65 kg/sec. van 21,0

%

.

Voor de berekening van afmetinren en dergeli jke van de toren is de methode

gevolgd 21s ûangep.even in lito 16.

f'~-T

,I .

_'. I

Eerst l.;ordt uit het remiddelde vloeistofdebj et het aantal vertikale paralelle Dbsorptiebuizen bepaald. Dan worrJ~ de kolom verdeeld in een aantal deJen van gelijke hooGte, te beginnen bovenin.

De concentratie en teml'erati_jtT vr,n de vloej stof 7ijn d;:;;:r bekend. Daarmee

dan ook de samenstelling van het ~as als e~enwicht zou bestaan reet de vloeistof.

De werkelijke drukken zijn gegeven. Het verschill)p is de r::lri,ivende kracht

in de é-bsorptie.

Het é',bsorberend oppervlak is te berekenen uit her, dé'lntal en de di êmeter van

de buizen en de hoogte v,;,n het bEscholi'l"lde kolomdeel. De stofoverdra

chts-ko~fficient k wordt geschat met lit 16.

De geabsorbeerde hoeveelheid ECI is dan: Ap • opp •• k

Hiermee is de vloeistof- en gassamenstelling onderin het ,e deel te berekenen.

Dan voor het tweede deel een analoGe berekening etc.

De meeste berekeningen 'Horden gef,even in bijlaGe 1

n.3 .

Enkele punten zullen

hier "lOrden vermeld.

Het vloeistofdebiet in de toren: boven: 25,65 kg/sec.

onder:

3

tî,85 kp/sec.

Gemiddeld over de hele kolom dan: dus: 28,25 kg/sec. (=225.I")(\tî Ibs/hr.)

Volv,ens l i t 17 is he t mininale vloeistofdebie t voor de bui :ren

100 lbs/hr/rt natte omtrf'k. Neem n11 150, dan is een totale binnenomtrek

nodig van de buizen van T5tî(\ ft.

"lorden buizen gekoz.en van 1 inch ID, met een omtrek dus ,'an 0,262 ft., dan 7.ijn er 15(\O/O,2r,2

=

5720 buizen nodir..

.

r~"

,..

...

I

7.3.3 Absorptietoren T 13

Voor de lélatste toren is f!eko7.en een ge,!,élkte kolom: giJS en vloeis+..of in te-genstroom.

Aan gas

eaat

in: HCI 2,90 kr/.sec

bi.i 50°C.

21

%

HCl. (zie toren ~ 12)

H

20 0,03 kg/sec

inert 17,40 kr/sec Aan vloeistbf ga&t lli t : 25,65 kp/sec,

Als aangenomen mag worden dat slle HCl wordt geabsorbeerd en de hoeveelheid 'Hater in het afgas niet veranderd, moet dan aan vloeistof in:

Hel 5,39 - 2,90 = 2,49 kg/sec. H

20 20,26 kg/sec.

De uitgémgsstroom van kolom T 10 bevat 19,32 kg/sec zoutzuur (13

%

).

Dit is H610,13.19,32 = 2,49 kg/sec H

20 19,32-2,49 = 16,83 kg/sec. Extra gesuppleerd moe t dus 3,43 ki?/ sec 'wa ter.

Ui t een kontrole over de hele Hel unit blijkt dat

cut

inderdaad juist is. De HCl-concentratie van de vloeistof bovenin de kolom is nu 2,49/2r'l,26= 10,9%

De temperatuur Vê.n deze vloeistof is JOoe, teri,rijl uit een voorlopige

"larmtebalans de temperéituur van de uEgaandc stroom ot' onfeveer 93°C is be-pDald.

Voor de berekening van deze kolom is de methode rebruikt als a;mpe[!even in lito 1 E: gasé3.bsorptie met "reerstóno in

Opgesteld moet dan worden een vJerklijn

geVlerkt met

X'

aantal molEn HCl in

y' _{é:é'.n tal molen Hel in} Herklijn: :: PHel /Pim"rt o onderin gas

50 C

PHCl = depasfase.

en een evemdchtsli ,in. Hierhij Hordt

U.q. /aGntal molen H"ter in liq.

Gas /<1émt<11 molen inert in gas.

185 mm He -... Y~ =1 H5/1 ,7 • 76n - 185=

-2

==1.3,2 .10 1,3mm Hg -+Yt =1,3/1,7 • 760

= 1,0. 10

-3

Evem-richtslijn: aanr;enomen is dat de temperatuur van de vloeistof ongeveer.

evenredig met

o

e

HC:l-conc. toeneemt. Met li t. 19 vlOrdt de bij elke temp. en '

cone., horende dampspanninp, bepaald.

De re sul ta ten zi jn ih de hier volr;ende ta he 1 vJeergegeven.

.

r'~

r

HC1-opl. temp.

x'

p (mm Hg) y' 21

%

93°C 0,131 50 4,no • 10-2 20 SJ n.123 25 1,96

·

10-2 18 75 n, 1 ng 6,0 4,65 .11 0 -~ ~ 16 62 0,094 1,5 1,16 • 1Ö-~" 14 49 0,080 n,28 2,2

·

10-4 12 37 0,069 0,045 3,5 _• 10- 5 10,9 30 (),061 0,015 1 _• 10-5 tlO 24 0,055 0,

om

6 _• 10-6

Uit de grafische bepalinf (zie fie. ) blijkt dat er minimaól 5

transpott-eenheden noclig zijn.Bij een H.l. E. van 3 ft. CH meter) geeft dat als hoogte

van de kolOlTI mini maal 5 meter.

Onder deze omstand}rhe:Jen is de HC1-dcmpspannj.nr.: inhet afgas 1,3 mm Hg. Dit

is bi~ een s'sroom Véln 17,La kg/sec fas en 1,7 atm.

17,43 ) /

• 36,5 (MRCl = 22 gr sec.

1,7 .760 29

Dit is 22.

3,6

= 8 kpjuur = 8 • 80nO

=

64

.

tonhaar HCl.

Door mE'er tré.nsporteenherlen t,e nemen; dus een horere kolom, kan deze damp

-spanning van de Hel nog verlaarrd \-lOrden. (nooi t lager dDn PHCl van 10.9,%

HCl bij 300C = 0,0015 mm H? Dit is toch nog 1/100 van \-Jat nü bereil<t Hordt.)

Een andere mogelijkheid zou z:ï jn de kolom in tvree delen te splitsen :

boven-in r3.e te sUT'pleren Wél terstroorn, om de HC1-déJllDspanning zeer 12;:,g te :r.aken,

dan daaronder het verdunrie Zt.:U1' uit t.oren Tl0.

In geval van storingen, wa~rbij de huidige uitvoerine waarschijnlijk zeer

onbevredÖlr,end zal werken, is mogelijk de veiligste o; lossinr., zij het. een

kostbare: een extra toren Hóarin bv. een oplossing van MeO Hordt

rondf,e-.

,

,

pompt. Hanneer voldoende HCl is opgenomen kan deze OplossIng voor

dever-dómpers aan de voedinEsstroom wor/en gesuppleerd. Er is dan in het r;eheel

geen verlies vön HC1, evenmin êan )"1[;0, al wordt de circt.:latiestroom JOOl'

het bedrijf nOG eroter~

'Vlarnte.

Er gaat toren T 13 in:

gas.

De w-armteinhoud is dan

(~W'

50°C, met 17,1+3 kg/sec inert en 2,9n kr/sec HCl.

.c .T-25)

p

F'"

, .1 ) ,IC 10 iXlé / ·1 IbXIO .l. XIO

I

I

I

·-1

I

- - - ? > - X'

~~~---.---LI----~~--·~~~-=----~

__

J _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ' I ______

~IL-

____________ _

Gas: Inert: 17,43x1,n5x25= 457 Hel: 2,9nxn,84x25= 63 Vloeistof: 1n

,9

%

HCI, 30°C: 22,75x3,80x 5= 41n

930 kJ/sec. Gevormd wordt aan wnrmte: (weer methode lit 15)

per seconde: 69 mol Hel (liq) + 1125 mol H

20 (liq ) + 8n mol Hel (gas) ~ 149 mol HCI (liq) + 1125 rol H

20 (liq). stel bij gemiddelrl hnoc :

69x162,2 + 1125x285,n5 + 80x92,27 --'149x153,6 + 1125x286,05 +V Er wordt dan gevormd: . 5438 kJ/sf"c.

In totaal géat dön aan warmte ui~: 93 n + 5438 = 63h8 kJ/sec.

Dit wordt verdeeJd over 25,65 kg/sec Hel-opI. en 1'7,43 kr/sec gas.

De uitkomst V2.n de berekrninp, "Has: temperatuur van het cas ongeveer 275°C, van de zoutzuur-oplossin[' 93°C. Dan gas: 17,4Jx250x2,10= 915 liq: . 25, 65x 68x3, 15= 54.53 6368 kJ/sec. ! ... f

schreven ..,ordt in lito 20 .

De methode maakt gebruik van een aantal grafieken die ontwikKeld zijn uit metingen

van Sherwood en Zenz ( lito 21 ). Deze grafieken geven het verband weer van

twee functies voor omstandigheden bij " flooding " in gepakte torens :

G

L

2 3600 hierbij is a v x

-F3

en

GGF

=

hoeveelheid gas bij flooding in lb/hr.sq ft , berekend op de

lege toren.

a v

=

specifiek oppervlak V&1 de pakking in sq ft/cu ft pakking.

}<' = volume fractie in cu ft/cu ft pakking .

.P

_G

=

dichtheid van het gas in lb/cu ft

;OL dichthei.d van de vloeistof in lb/cu ft

~ L .", viscosi tei t van de vloeistof in centipoises

_ hoeveelheid vloeistof bij flaoding in lb/hr.sq ft

de lege toren.

t berekend op

Verder bestaat er een verband tussen de soort pakking en de waarde van

a

v

--3- . ( l i t. 23 ) . Dit verband wordt gegeven in de tabel op de volgende pagipa.

F

Bij de gepakte torens is gekozen voor een pakking val! 2- inch Rashie ringen.

Met behulp van de genoemde grafiek ( zie eveneens de volgende pagina ), is het

dus mogelijk om de waarde van G Gl te bepalen, en daaruit de doorsnede van de

kolom. Daar deze , .. aarde echter is berekend voor de "flooding" condities, is het in

fei te een minimumwaarde voor de doorsnede. In de praktijk zal veelal gevlerkt .,orden

met een doorsnede die twee maal zo groot is als de minimumwaarde. De diameter van

de kolom ligt op deze wijze dan vast.

type pakr..ing waarde van _v_ a

:

;'

3

-F

1...

4 l.n. Rashig ringen

2530

3/8 "

450

-t'

.

"

406

5/8 "

350

~.

_"

214

1

"

185

1+ "

121

1+

"

100

2

"

67

type pakn:ing waarde van a v

F

3

1 • "4 l.n. Berlse zadels

4225

1

"

450

"2

1

_"

ll9

1.1.. " 2

79

3 • "4 J.n. Intalox zadels

140

1

ti

₉

₈

1+ "

5

2

0.1000

~m~i1f

.

~~

~t=~

-

t=rt:

__

_

;gT~1$

- .

E

j-

R

-

lf

-

/ 1 -t- -, -r--~~~-++~ I

L

t - - - - t- - - -- -1- ~-ti+~"""----f-.-+-f-HI H-j.j r-~-T~~-!~- ----~·4-+~V~~_+_+~1_H~ 0.0100

~~~El

rltl

·'

m

-'

~~~~~îl:=-+~tHt

0.0001

ij

q l f - - 1 - 1 - t - 1-/~-t-ri-ili

L

I

I

I ----I--~::i t -- .,

-,

t===-7

T₁1:1, ~t-~f--4-4-rrHH'i-~-~~--~

ti

i---t---t--t--l-t-H+ / t--t-t-HH+++i---t-+-H-I-H [111"". ".

'I

_,

;

' t '-. ~

,

De bepaling van de drukval over de gepakte torens geschiedt met behulp

van een methode die ontwikkeld is door Zenz ( li t. 21 ), en die gebaseerd'; . .

is op de veronderstelling dat bij het flooding punt de drukval slechts afha ngt van de eigenschappen van de pakking en van de physische constanten van de

vloeistof.

De berekening is als volgt opgezet :

- Bepaal de drukval bij het flooding punt uit de tabel die vermeld staat op de volgende pagina ( lito 23 ). ,deze wordt aangeduid met (~PF )H

0 0 • - Uit deze waarde en met behulp van de figuur op de volgende paGina die

de bovengenoemde veronderstelling weergeeft ( correlatie van de drukval bij flooding en de viscositeit van de vloeistof ), is het mogelijk de druk-val voor de betreffende vloeistof te bepalen. Deze wordt aangeduid met (~PF )L - Nu moet verder de met G

L overeenkomscige gassnelheid bij flooding bepaald

worden. De fi~)luur op pagina is door Zenz omsewerkt tot de figuur op paGina Hieruit volgt de waarde van GGE" de gassnelheid bij hel, flooding punt.

- De verhouding GGP! GG is nu bekend. Met behulp van de reeds bekende waörde van

(APl!')L is het mogelijk ,om met behulp van de grafiek die het verband weergeeft

tussen (6 P.I<' ) lI. en de &,'Bzochte ( à P ), ( zie de volgende pagina), de drukval per

voet pakKing in de kolom te bepalen. Deze ~ P is dan betrokken op "normale " condities.

Voor een uitvoerigere beschrijving van de hier gevolgde methode wordt verwezen naar lito 20 en 21

1""-

~' I I - I I [

Pakking in inch 2 11 !lashig

1-1 "

1-!-

11 1 "

"

5/8 "

"

3/8

ti

-!-

ti 1-;- ti Berlse zadels 1 1. "4 1.00 0.90 ti

"

ti

"

~

"""

t---..

i'--..

:--

!--I I I (ÓP

F )H 0 in in.H20 per ft pakking

2 2.5 ( opm. Al.deze waarden gelden alleen 2.5

2.4

3.0

4.0

2.5

3.5

4.0

4.0

2.2 2.5 2.5 2.0 1. 25 SER!:

voor water als vloeistof ).

1.0 It -1\

~

1\

\

1\

..

:; I

~ 0.10

Î\

.-l~ l'--. ti- ~ SI.DDLES JJ ... _{I ~}

JI~N

,.. _... ~ _... 0.80 0.. ... S~ 0.70 0.60 RASCHIG r--. RINGS

1'+--

1

---

...

1

---I

---

-.

1 10

IUtIHIATlC LlQUIO VIHOSITV. CENTISTOKrs = .~~~ sP. GRAVITY 100 0.0 I

-1- T--

1-f-K

1-1·- t---1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 G~r /G,.

I I

Berekening van de diameter en de drukval over toren T-10 •

Gemiddeld gaat in aan vloeistof

Gemiddeld gaat in aan gas

21.15 + 19.32 2 23.70 + 25.53 2 20.23 kB/sec 161000 lb/hr

=

24 • 61 k

g/

sec 195500 lb/hr . 0.5 161000jA 195500/A x (0.062 5 x 1.18) 0.0625 x 1000

6

-2 2.9 x 10

Uit de grafiek op pagina 37 volgt dan

(GGF

r

x .3. a x

~LO.2

0.20

3600

F3 /'G x/Lx g

Uit de tabel op pagina 37 volgt dat voor 2 - inch Rashig ringen geldt

a v 67 ,verder is

_~G

0.0625 lb/cu.ft

F

3

~L

62.5 11)/ cu. ft

"ML

1 • 1 cp 32.2 ft/sec 2 g

Dan wordt GGF = 2390 1 b/hr. sq. ft , en de minimum doorsnee

195500

2390

= 82 sq ft •

In werkelijkheid zal gewerkt \-lOrden met een A == 2 x 82 = 164 sqft.

Dan is de diameter van de kolom T-10 14.5 ft = 4.35 m.

Voor de 1: 0

'"2 . - Hel opI. is ~ == 1.10 cp. de kin. vi scosi te i t

1

is '1.10 cs GG 122500· 1190 164 G L 161000 982 :: - 1 6 4

r""-

'

r'-~ i

Uit de tahel op pagina 39 volgt dan dat voor 2 - inch Rashig

ringen

=

.2.5 inl ft

Uit de figuur op pagina 39 volgt dan is dus ~PF = 2.5 in/ft L Nu is : a v 7.

x

F) 0.2

..-u

_L

2 ~L x g •

Uit de figuur op pagina 37 volgt dan dat

~~: ~{~~

r

5

~

0.015

.12.65

1190 1.65

G

~ X(10- 3 )0.5

• • GF

0.015

Uit de figuur op pagina 39 volgt dan 0.25

2 _. 62.5 x 32.2 1965 1 b/hr sqft ~p

₌

0.25 x 2.5 0.62 in H 20 / sqft.

De drukval over toren T - 10 is dus 0.62 inch H

20 per voet pakking hoogte, of 4.7 x 10- 3 atm per meter pakking

TorenT-13.

Op dezelfde wijze als voor toren T. - 10 is voor toren T - 13 de diameter en de drukval bepaald.

Gevonden is een diameter van 4.25 m , en eendrweval per meter

pakking van 3. 5 atm .

r"--

r . i \ i . \