Vacuümvriesconcentratie van t-gistwater

(1)

I

Nr:2625

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

...

..

::r.~.~~

...

U~

....

~

....

.;J.:!.~.~ ... $.Ç:h~J..+.

... .

adres: van Hasseltlaan 70 Kastanjedreef 2 onderwerp: Delft Vlaardingen opdrachtdatum : 20-2-1985 verslagdatum : 10-5-1985

(2)

I

'

I

2

-1. Samenvatting

In het kader- van het fabr-ieksvoor-ontwer-p is een pr-oces uit-gewer-kt voor- het concentr-er-en van een gistwater-str-oom van

53,8 ton/h en ~,2 % dr-oge stof tot een gehalte van 12 % aan aan dr-oge stof.

Het pr-oces is gebaseer-d op de methode van vacu~mvr-iesconcen tr-atie. Hier-bij wor-dt zuiver- iJs uit de oplossing ver-kr-egen door-de oplossing gedoor-deeltelijk te ver-dampen ondoor-der- vacuûm. Door- 1 kg water- als water-damp te ver-wijder-en kan ongeveer- 7 kg iJs wor-den

gepr-oduceer-d. De water-damp wor-dt aan de oplossing onttr-okken door-absor-ptie in een hygr-oscopische oplossing. De verdunde LiBr--oplossing wor-dt continu g·er-egeneer-d d.m.v. tweevoudige indamping.

Het iJs in de gistconcentr-aat slur-r-y wor-dt gewassen en afgeschei-den in een waskolom. Uiteindelijk kan met 1 ton stoom (~.8 bar- abs.) 8.5 ton water- wor-den ver-wijder-d.

De invester-ingskosten wor-den geschat op

5,a

miljoen gulden Het ener-giever-br-uik is f 5,96 per- ton water- verwijder-ing Ver-wiJder-ing van 1 ton water- kost f _{10 /}80

(3)

I

4

-Inhoudsopgaven 1. Samenvatting 2 2. Inleiding 6

3. Uitgangspunten VOOL het ontweLp 10

3.1. ExteLne gegevens 10

3.2. InheLente gegevens 10

~. BeschLijving van het pLoces 12

5. PLocescondities 18

5.1. AbsoLbeL 18

5.2. RegeneLatoL 20

5.3. W a s k o l o m 2 0 6. BeschLijving en theoLie omtLent de gebLuikte appaLaten 22

6.1. OntluchteL 22

6.2. ULiezeL 2~

6.2.1. IJskListalgLoei 2~

6.2.3. Maximale toelaatbaLe veLdampingssnelheid van wateL 30

6.3. AbsOLbeL 30

6.3.1. AbsoLbeLbeschLijving 30

6.3.2. BeLekening van het benodigde waLmteuitwisselings- 36 oppeLvlak in de absoLbeL 6.~. Waskolom en smelteL ~6 6.5. RegeneLatoL ~8 6.6. WaLmtewisselaaLS 50 6.7. Pompen 5~ 6.7.1. Uloeistofpompen 5~ 6.7.2. Uacuümpompen 5~ 7. Massa- en waLmtebalans 56

8. OveLzicht specificatie appaLatuuL 62

9. Kosten 80

9.1. Inleiding 80

9.2. Schatting van de investeLing 80

9.3. JaaLlijkse kosten 82

10. Konklusies Bijlagen

1. GistwateL

2. TheLmodynamische gegevens van wateL 3. LiBL-oplossing

~. ULiezeLbeLekening

5. BeLekening van het aantal lagen pijpen in de absoLbeLsectie

6. RegeneLatoL

7. De Lang-methoden

8. Flowschema I gLafieken en tabellen

LiteLatuuLoveLzicht Symbolenlijst 89 91 9~ 96 97 100 lOS 110 114

(4)

I

-b-2. Inleiding

Gist-Brocades is op zoek naar een nieuwe installatie om een t-gistwaterstroom van S~ ton/h te concentreren van ~,2 naar 12% droge stof. Op het ogenblik wordt t-gistwater geconcen-treerd met een "Lurgi" meertrapsverdamper tot 12% droge stof en vervolgens verder ingedikt tot een vast product dat kan worden gebruikt als veevoeder .

Een G-groep,bestaande uit zes scheikundestudenten en twee werktuigbouwkundestudenten heeft drie alternatieven onderzocht om t-gistwater te concentreren tot 12% droge stof (lit.'~): meervoudige filmverdamping met mechanische damprecompressie, membraanfiltratie en vriesconcentratie met butaaninspuiting .

In dit fabrieksvoorontwerp is een vierde alternatief onder-zocht: vacuUmvriesconcentratie. Bij vacuUmvriesconcentratie wordt op twee manieren water aan het t-gistwater onttrokken.

"

Door boven de oplossing een vacuum aan te brengen zal water uit de oplossing verdampen . Hierdoor zal gelijktijdig warmte aan de oplossing worden onttrokken.De oplossing koelt af en wanneer het vriespunt bereikt is zal iJs uitkristalliseren.

Bij een goede uitvoering van dit process kan door het ont-trekken van 1 ton waterdamp ongeveer 7 ton iJs worden gepro-duceerd.

Een methode om waterdamp aan het t-gistwater te ontrekken is absorp-tie van waterdamp in geconce~reerd NaOH. Een Amerikaans ingenieurs-bureau paste deze methode toe voor het ontwerpen van een installatie

(5)

'

I

1 I

I

'

I

8

-voor- de ber-ei i ng van zoet water- ui t zeewater- C I it. I ). '. In dit fabr-ieksvoor-ontwer-p is nagegaan of een der-gelijke installatie eveneens toepasbaar- is voor- het cóbentr-er-en van

t-gistwater-. Daar-toe is het ontwer-p van de installatie op enkele punten gewijzigd en is gezocht naar- een alter-natief absor-ptie-middel in plaats van de hier- gebr-uikte NaOH-oplossing, dit in ver--band met de kor-r-osiviteit van geconcentr-eer-d Na OH bij hoge tempe-r-atuur-. Als ver-vangend absor-ptiemiddel komen de volgende stoffen

in aanmer-king:

Geconcentr-eede NaCl-oplossing bij lage temper-atuur- C-10oC ) Tr-ieethyleenglycol C > 96 % )

Diethyleenglycol C > 96 % )

Geconcentr-eer-de LiSr--oplossing

In dit fabr-ieksvoor-ontwer-p is gekozen voor- geconcentr-eer-de LiSr--oplossing als absor-ptiemiddel .

Hier-voor- zijn dr-ie r-edenen aan te geven a. de dampspanning LiSr- is vr-iJwel nul

b. water- zal gemakkelijker- door- LiSr- oplossing diffunder-en dan in di- of tr-iethyleenglycol Clit.6)

c. de viscositeit van LiSr--oplossing is vr-ij laag ten opzichte van NaOH-oplossing

(6)

I

3. Uitgangspunten voor het ontwerp

3.1. Externe gegevens

Bij het proces is uitgegaan van gegevens die Gist-Brocades hiervoor ter beschikking heeft gesteld (bijlage 1). Een stroom t-gistwater van 53.8 ton/hr en 35

°c

moet worden geconcentreerd van ~.2 ~ droge stof tot 12 ~ droge s t o f .

3.2. Inherente gegevens

1) t-Gistwater: Uoor zover er gegevens omtrent de fysische constanten van het t-gistwater ontbraken zijn deze constanten geschat door het t-gistwater op te vatten als een NaCl-oplossing. Oe concentratie van de NaCI-oplossing is zodanig gekozen dat de vriespuntsdaling van het t-gistwater en de NaCI-oplossing met elkaar overeen komt (bijlage 1).

2) LiBr-oplossing: Oe fysische constanten en korrosieaspecten van deze oplossing zijn vermeld in bijlage 3

3) Water: In bijlage 2 zijn de fysische constanten van water vermeld.

(7)

I

-12-~. Besch~iJving van het p~oces

De voeding ( 1 ) komt het p~oces binnen met een tempe~atuu~ o

van 35

e

en een flow van 1~,9 kg/s . Om opgeloste gassen uit de voeding te ve~wiJde~en wo~dt de voeding ontlucht in de

ont-luchte~. De ontluchte~ wo~dt vacuüm gezogen doo~ een vacuüm-pomp tot een d~uk van ~5 mm Hg.

De ontluchte voedingsst~oom wo~dt gesplitst in st~omen ( 5 ) en ( 8 ) in de ve~houding 1,86 : 1

St~oom ( 8 ) wo~dt gekoeld met de concent~aat st~oom ( 11 ) tot

O 5 I 0

e

• D e concent~aatst~oom van 5 ,2 kg/s en - , 38°C wo~ dt

hie~bij opgewa~md tot 28,0

oe.

St~oom ( 5 ) wo~dt gekoeld met

o 0

smeltwate~ ( ~ ) tot O,S

e.

De smeltwate~st~oom van 0,0

e

o

wo~dt opgewa~md tot 5,9

e.

St~omen C 6 ) en ( 9 ) wo~den ve~volgens bij elkaa~ gevoegd . De voedingst~oom C 13 ) van 0,5

oe

be~eikt tenslotte de v~ieze~ .

In de v~ieze~ bevindt zich het gistconcent~aat C12~ d.s.) met

daa~in 20 ~ Cm/m) ijs gesuspendee~d bij een tempe~atuu~ van o

-3,8

e.

De evenwichtsdampspanning boven dit mengsel bed~aagt 3,~ mm Hg. Aangezien in de abso~ptiesectie een d~uk van 3,0 mm Hg

hee~st zal wate~ uit het gistconcent~aat verdampen en wo~dt wa~mte aan het concent~aat ontt~okken. Doo~ afkoeling zal iJs

uitk~istallise~en waa~biJ wa~mte v~iJkomt.

De wate~dampst~oom naa~ de abso~be~ bed~aagt 1,22 kg/s. De aan de concent~aatoplossing dco~ ve~damping onttrokken

ene~gie ~esultee~t in de vo~ming van 8,50 kg/s iJs .

(8)

I

-14-~2,50 kg/s wordt naar de waskolom (W1~) gepompt.

In de waskolom wordt iJs afgescheiden van het concentraat.

Het iJs wordt gedooid in de smelter ( 23 ) met water van 1~/0

oe.

Het smeltwater ( ~ ) wordt gebruikt om de voeding ( 5 ) en de LiBr-stromen ( 15 ) en ( 25 ) te koelen.

Van de smeltwaterstroom ( ~ ) van 56,8 kg/s wordt ~8128 kg/s

gerecycled ( 23 ).

De rest van de recyclestroom 8,5 kg/s wordt afgevoerd bij 1~/0

oe.

( 27 ). Het gistconcentraat wordt onderin de waskolom afgetapt. Een stroom van 28,78 kg/s ( 20 ) wordt gerecycled naar de

vriezer. Het resterende gedeelte is de uiteindelijke produktstroom

van 5,22 kg/s. Deze stroom van -3,8

oe

wordt met de

voedings-stroom ( 8 ) opgewarmd tot 28.0 0

e.

In de absorbersectie komt een stroom 59,0 % ( 15 ) LiBr binnen bij

°

.

bij 15,0

e

en een flow van 27,78 kg/s. In de absorber wordt

1,22 kg/s waterdamp geabsorbeerd. Onderweg wordt de LiBr-oplos-sing gekoeld met nortonwater en met door voeding opgewarmd

smelt-o

water. De stroom nortonwater ( 12 ) wordt opgewarmd tot 18,0

e.

ti 0

De stroom smeltwater wordt opgewarmd van 5,9

e

tot 1~,0

e.

Onderin de absorber wordt de 56,5 % LiBr-stroom van 29,0 kg/s

afgetapt en verpompt naar een tweetraps indamper. Via twee

verdampers wordt de LiBr-stroom geconcentreerd van 56,5 naar

59,0 % . ~oor de indampers is 1,1~ kg/s stoom ( 39 ) nodig van

~/8 bar 150

oe.

De LiBr-regeneratiesectie wordt gedetailleerd

beschreven in hoofdstuk

De LiBr-oplossing ( 1 9 ) verlaat de absorber met een gehalte

(9)

rege-I

I

,

I

,

I

-\6-neratiesectie wordt de oplossing geconcentreerd tot 59,0·.~ .

Stroom ( 19 ) wordt voorverwarmd met de geconcentreerde

LiBr-o

stroom tot 65,3 C en gaat vervolgens naar de eerste indamper

( V19 ) waar de LiBr-oplossing wordt ingedampt tot 57,5 ~.

Indamper V19 wordt gevoed met O,7~ kg/s stoom van ~60 mm Hg en o

137 C , afkomstig van verdamper V23 .De druk in de verdamper

bedraagt 3~ mm Hg. Het verdampte water (O/~B kg/sJ wordt

gecon-denseerd met het nortonwater uit de absorber.

De LiBr-oplossing (3~) verlaat verdamper V19 met een temperatuur

o

van 70 C en wordt opgewarmd met de geconcentreerde

LiBr-oplos-o

sing stroom ( 35 ) tot 131,3 C. Indamper V23 wordt gevoed met

o .

1,1~ kg/s stoom van ~,8 bar abs. en 165 C . De b1J het indampen

o

verkregen lage druk stoom van ~60 mm Hg en 137 C wordt gebruikt

(10)

I

"

I

'

I

-

I

-I

I

~~~~~~~~~~~~~~~~~---_._-- - ,

-18-5. PLocescondities 5.1. AbsoLbeL

Bij het toepassen van LiBL-oplossing als absoLptiemiddel moet Lekening wOLden gehouden met de volgende factoLen

1) veLzadigde dampspanning van de LiBL-oplossing

- om hBtabsoLptiepLoces zo snel mogelijk te laten

plaats-vinden moet de veLzadigde dampspanning van de LiBL-oplossing lageL zijn dan de dampspanning boven de absoLbeL ( 3,1 mm Hg ) UOOL dit pLoces is gekozen VOOL een veLzadigde dampspanning van 3,0 mm Hg.

2) oplosbaaLheid van de LiBL-oplossing

- bij 15

oe

is de oplosbaaLheid van LiBL in wateL 60 ~ Cw/w)

VOOL de zekeLheid wOLdt 59 ~ LiBL-oplossing gebLuikt.

3) om een gLote dLijvende kLacht VOOL wateLtLanspoLt in de LiBL-oplossing te cLeëLen moet de LiBL-LiBL-oplossing niet al te veel veLdund zijn. Indien een dLiJvende kLacht tussen bulk en film-oppeLvlak van ~ ~ wOLdt aangenomen kan uit fig.

y

het minimaal gewichtspeLcentage aan LiBL wOLden bepaald.

Indien een gemiddelde weLktempeLatuuL van 15 0

e

wOLdt aangenomen

is het minimaal gewichtspeLcentage aan LiBL 56 ~.

UOOL dit pLoces is gekozen VOOL een concentLatie van 56#5 ~ LiBL bij het veLlaten van de absoLbeL.

(11)

1 I

I

1 I

I

i

l

I

j

-I

20

-5.2. Regenerator

Uit fig.

y.

blijkt dat maximaal twee indampers kunnen worden toegepast voor het concentreren van de verdunde LiBr-oplossing indien stoom van ~.B bar absoluut wordt gebruikt.

5.3. Waskolom

Wanneer een waskolom van het type GLenco wordt gebruikt

dan moeten de iJskristal!en een gemiddelde diameter van minimaal 150 ~m hebben (lit.

5 ).

(12)

!

I

-

2.2-6. Besch~ijving en theo~ie omt~ent de geb~uikte appa~aten

6.1. Ontluchte~

Bij aanwezigheid van ine~te gassen in de abso~be~ blijkt (lit. ~ ) dat het wate~dampt~anspo~t ste~k wo~dt belemme~d .

Uoo~dat het gistwate~ de v~leze~ be~elkt moeten daa~om ee~st de opgeloste gassen en vluchtige o~ganische stoffen zoveel mogelijk

wo~den ve~wijde~d.

In de ontluchte~, waa~ het gistwate~ ove~ een gepakte kolom met

Rashig~ingen st~oomt, wo~dt een d~uk van ~5 mm Hg (ve~zadigde damp-spanning van wate~ bij 35

oe

bed~aagt ~3 mmHg ) gehandhaafd doo~

..

een vacuumpomp P2 . De oplosbaa~heid van de ine~te gassen (- lucht) in het gistwate~ is dan slechts _{0 / 1} ppm ( H- 8,23 e~ l i t . " ) .

(13)

I

,

I

- - -- - - -- -

-- -

24-6.2. Vriezer

Bij het ontwerpen van de vriezer moet rekening worden gehouden met:

- de ijskristalgroei

- de maximale toelaatbare verdampingssnelheid van water 6.2.1. IJskristalgroei

In de vriezer ontstaan ijskristallen die vervolgens in de was-kolom worden gescheiden van het gistconcentraat.Voor een snel ver-lopende scheiding is het noodzakelijk dat de gemiddelde kristal-grootte in het gistconcentraat boven een bepaald minimum blijft. Ook mag de spreiding van de kristalgrootte rondom deze gemid-delde afmeting niet te groot zijn.Voorts is het wenselijk om bolvormige ijskristallen te produceren.

Zowel de gemiddelde kristalgrootte als ook de spreiding rond dit gemiddelde worden bepaald door de groeisnelheid van de

kristallen ,de kiemvormingssnelheid ende verblijf tijd in de vriezer De groei- en nucleatiesnelheid zijn op hun beurt afhankelijk van de mate van onderkoeling ,de hoeveelheid en soort opgeloste stoffen in de vriezer en in mindere mate van de hydrodynamische omstandigheden.De mate van onderkoeling bepaalt tevens de vorm en kwaliteit van de ijskristallen (ingesloten verontreinigingen).

In het algemeen zal een lage onderkoelingstemperatuur resulteren in de vorming van bolvormige ijskristallen en een goede kwaliteit van het gevormde iJs.

(14)

I

Wanneer het stationaire Mixed Suspension Mixed Product Removal CM.S.M.P.R.) model voor de vriezer wordt aangenomen, kan het proces met de volgende formules worden beschreven

Clit.2.,) :

met f - ijskristalgrootte verdelingst~n~~\e

D - deeltjesdiameter C het ijskristal kan als een schijf worden opgevat met een hoogte ongeveer gelijk aan 0,25- 0,35 D )

G - groeisnelheid ... dD/dt '"C ... verblijf tijd

De gemiddelde diameter D is dan gelijk aan

0=2

.

6.L :-

'2.. G

/13

(î..)

met~ - nucleatiesnelheid per volume eenheid per eenheid kristal

Voor een gegeven geometrie en zoutgehalte kunnen voor groei- en nucleatiesnelheid de volgende formules worden gebruikt:

met E - vermogens toevoer per eenheid massa

IlT - verschil tussen de evenwichtstemperatuur van het gist-concentraat en de bulktemperatuur

(15)

I

,

I

Uit vgl.

'i

volgt:

-<4/

p E.

-28-(s.)

Substitutie in vgl.~en vermenigvuldigen met~tresulteert in:

C / ...., 'o_(o./...:I)(.Q

_ -alp 1- Q. P J 17

-+

D :::

'"2.. k<äoKo . L. E.

Experimenten Clit.Z ) met 6 ~ Cw/w) Nacl-oplossing , vergelijkbaar met 12 ~ gistconcentraat, en procescondities zoals aangegeven in tabel geven de volgende waarden voor de empirische constanten:

a "" 1.05

b ... 0.16

p

=

1.37

q ... 0.15 C voor lage e:. ) tot O. 'iB ( voor hoge ê. )

Invullen in vgl. 6 resulteert in :

Oo\b-CO.I' -00"'3.6) E.

In fig. 6~1 is de kristalgrootteverdeling als functie van diameter en verblijf tijd voor 6 ~ (w/W) NaCl-oplossing weer-gegeven (I it. 2. ).

Hierbij valt op dat de ijskristalgrootte nauwelijks afhangt van de verblijf tijd, en dat een relatief korte verbliJf tiJd

(16)

I

-30-(! ~ min.) nodig is om een ijskristal met een gemiddelde ' diame-ter van O,~5 mm (h! .15 mm ) te verkrijgen.

Omdat de constanten in de vergelijking sterk afhankelijk zijn van de samenstelling van het gebruikte water zal experimenteel moeten worden nagegaan hoe groot de constanten voor het 12" gistconcentraat zijn.

Om het benodigde volume voor de vriezer te berekenen is uitgegaan van een verblijf tijd van 20 minuten. Uerder wordt aan-genomen dat 20 "w/w gistconcentraatslurry nog verpompbaar is

(lit.5") .

6.2.3. Maximale toegestane verdampingssnelheid

ti . ,

De warmteoverdrachtscoefficient van een zuivere vloeistof onder vacuÛm kan worden berekend met de gemodificeerde Hertz-Knudsen vergelijking (lit.3 ):

'2. 0(.,

'Z. - 0'.,

met hv - warmteoverdrachtscoëfficiënt

(1/.,.,,1.

0c'.s)

al. - verdampingscoefficiënt - f( roersnelheid ) en 1 igt tussen 0, 35 voor slecht roeren en 1 voor ideale menging

M -

molekuulgewicht Cg/mol)

(17)

I

'

I

!

I

32

-De totale warmteoverdracht is dan :

(, 0)

met A - verdampingsoppervlak

p~ - verzadigde dampspanning behorende bij

evenwichts-temperatuur Te van de 12 " d .s. t-gistwater

~ - druk in de dampfase overeenkomen met de verzadigde dampspanning bij evenwichtstemperatur T~

Het minimaal benodigde verdampingsoppervlak wordt bepaald door het entrainmentregime, de gassnelheid waarbij waterdruppels met de gasstroom worden meegezogen.

De maximaal toelaatbare gassnelheid is als volgt te berekenen (lit. I1 ):

"

(18)

I

-I

I

1 I

I

-

3y-6.3. Absorber

De absorbersectie staat rechtstreeks in verbinding met de vriezer. Om vervuiling van de absorberoplossing tegen te gaan worden tussen vriezer en absorber druppelvangers geplaatst

( p - 0,10 - 0,15 mm Hg )

De absorber is schematisch weergegeven in fig.~

6.3.1. Absorberbeschrijving

11

Bovenin de kolom bevindt zich een vacuumpomp (P8

&

9) die .

tijdens de procesvoering een druk van 3,0 mm Hg handhaaft in de absorberruimte. Door ophoping van inerte gassen in het systeem

(afkomstig van het gistwater en van lekkages ) zal bij afwezig-heid van deze pomp de druk in de absorber te hoog oplopen.

De geconcentreerde 59,0 ~ LiBr-oplossing wordt bovenin de ab-sorber gesproeid over horizontaal geplaatste pijpenbundels.

De LiEr-oplossing stroomt eerst over een serie pijpenbundels waardoor nortonwater stroomt . Tijdens de stroming over de

pijpen wordt waterdamp geabsorbeerd.De hierbij vrijgekomen

warmte wordt direkt afgevoerd naar het koelwater in de pijpen . Het nortonwater met een stroom van 88J9 kg/s stijgt hierbij in

temperatuur van 12 0 C tot 180 C . In totaal wordt O} 7 kg/s

waterdamp in de nortonwatersectie geabsorbeerd door de LiBr-oplossing.

In het onderste gedeelte van de absorber wordt de LiBr-oplossing gekoeld met een stroom opgewarmd smeltwater van ~5/6 kg/s.

(19)

~---"---

-I

:"

I

1 I

'

I

-

3b-5 9 0 C " 0

Het smeltwater stijgt hierbij in temperatuur v a n , tot 1~,0 C.

Met een stroom van ~5,6 kg/sec kan de resterende 0,52 kg/s

water-damp worden geabsorbeerd.

De met nortonwater en koelwater doorstroomde pijpenburidels zijn per laag in serie geschakeld (zie fig.1. ). Onderin de absor-ber wordt de verdunde LiBr-oplossing opgevangen en verpompt naar de regeneratiesectie.

6.3.2. Berekening van het benodigde warmteuitwisselingsoppervlak in de absorber.

Als drijvende kracht tussen vriezer en absorber wordt een

drukval gekozen van 0,2 mm Hg. Bij de keuze van deze drukval

is uitgegaan van een onderkoelingstemperatuur in de vriezer van

o

1 C en een drukval van 0.2 mm Hg over de druppelvangers. Boven de

LiBr-oplossing heerst dan een druk van ( 3,~-0,~ )- 3,0 mm Hg.

De LiBr-oplossing stroomt in een film over de piJpen.Aange-nomen wordt dat voor stofoverdracht de penetratietheorie geldig

is.Verder wordt verondersteld dat de LiBr-oplossing tussen twee onder elkaar geplaatste pijpen ideaal wordt gemengd.

"

..

De warmteoverdrachtscoefficient ~ kan worden berekend met

(20)

11 '-,

I

1 I

I

met:

-

38-~ - warmtegeleidingscoëffici38-~nt van de LiBr- oplossing

r-t,e,- -

soortelijke massa van de LiBr-oplossing

~ - valversnelling van de zwaartekracht

à"

abs - de absorptiewarmte van de LiBr-oplossing

Coploswarmte ·+condensatie warmte)

, - viscositeit van de LiBr-oplossing

d

p - pijpdiameter

à'\

-

temperatuurverschil tussen pijpwand en filmoppervlak

-,

Rekening houdend met de vervuilingsweerstand

h.

voor zowel de

binnen- als buitenzijde van de pijp, dan bedraagt de totale

warmte-.1 I'

overdrachtscoefficient:

1-De hoeveelheid warmte die per ~ pijPoppervlak kan worden

"

geabsorbeerd ~ is:

met

li,

-

temperatuur van het filmoppervlak

T

o -

buistemperatuur

'l.

De geabsorbeerde hoeveelheid water per~ pijPoppervlak bedraagt:

(21)

I

-

"0-De stofover-dr-achtscoëfficiënt k voor- water- in de LiBr--oplossing kan wor-den bepaald met de penetr-atietheor-ie. Er- geldt voor- de

..

gemiddelde stofover-dr-achtscoefficient bij een ver-blijftijd ~ op

... !

1 pijp:

k =2

J:t '

met diffusiecoerficient van water- in LiBr--oplossing .1 .,

De ver-blijftijd t op een buis kan waLden ber-ekend uit de film-dikte en de volumestr-oom per- meter- buislengte. De filmfilm-dikte

8

volgt uit: I Q", met:

(v>

=

2.0

volgt :

De volumestr-oom LiBr- per- m pijplengte volgt uit:

met

n -

het aantal pijpen per laag

(22)

I

,

I

- - - -- -- - - - -- - - -- - - -

--- ----

42-De verblijf tijd

t

is nu:

f :::

<v)

('I )

t

11" d_p

7.

Het water dat per s en per rv'\ pijpoppervlak kan worden

geabsor-beerd is volgens de penetratietheorie:

met: k t. •

n

rrl/S

c.'

_b

_{de concentratie van water in de bulk in}_kg/m~

c., .

I - de concentratie van water aan het filmopper-vlak in kg/m~

Wanneer de concentraties worden uitgedrukt in percentages LiSr kan formule C,~ ) geschreven worden als:

met eb

=

~ LiSr in de bulk

ei - ~ LiSr aan het filmoppervlak

Indien zowel warmtetransport als stof transport snelheidsbepalende stappen in het absorptieproces zijn moeten vgl.ISen"2.? aan

elkaar gelijk gesteld worden:

u (

Ti - Tb )

A \-\abs

PLHa,("

K ( c - c· )

(23)

1

1 -I

I

1 I

I

'

I

-

1{1I-Om deze vergelijking te kunnen oplossen moet het verband tussen

-r:

_•

_en_ei _{worden bepaald.} _Wanneer _{wordt aangenomen dat boven de}

LiBr-oplossing een druk heerst van 3.0 mm Hg kan uit het p-T-x diagram van LiBr-oplossing Cbijlage3 ) de volgende betrekking worden afgeleid :

\\

ei

=

S (

Ti

~

\02 )

Er vol~Jt nu:

Met het programma vermeld in bijlage 5 is het aantal benodigde lagen pijpen te berekenen.

(24)

I

1

1 I

.

I

1 I

! ,

'

I

,

I

'

I

,

I

.

6.~. Waskolom en smelter

De ~askolom heeft als taak de ijskristallen af te scheiden

uit de gistconcentraat - ijsslurry. Ten gevolge van de op~aartse

kracht zal het iJS in de kolom omhoog bewegen en zich bovenin de kolom verzamelen. Eventuele verontreinigingen aan het oppervlak

van de ijskristallen ~orden ver~ijderd door ~assen met smelt~ater

van

oOe.

Het iJS dat zich boven de ~askolom uit be~eegt ~ordt met

behulp van een schrap~r ver~ijderd en valt dan in de smeltruimte.

Voor een goede werking van de ~askolom is een scherp horizontaal

~asfLont noodzakelijk.

Waarschijnlijk zal een ~askolom van het type Grenco aan deze eisen

voldoen. Aangezien de capaciteit van de bestaande ~askolommen

te klein is zal· het voor dit proces nodig zijn een groter type te ont~ikkelen.

(25)

I

1 I

I

:

1 I

I

6.5. Regenerator

De tot 56,5 % verdunde LiBr-oplossing wordt in twee indam-pers geconcentreerd tot 59,0% .Na warmteuitwisseling met de gecon-centreerde LiBr-stroom bereikt de verdunde oplossing indamper U19. De oplossing wordt ingedampt tot een LiBr gehalte van 57,5 %.De benodigde stoom is afkomstig van de tweede indamper U23.De uit-gaande 57,5% LiBr-stroom wordt voorgewarmd met de geconcentreer-de LiBr-stroom in wármtewis~elaar H20 en bereikt vervolgens in-damper U23. De inin-damper wordt gevoed met 1/1~ kg/s bedrijfsstoom van ~,8 bar en 150

oe.

De berekeningen voor de indampers en de bijbehorende warmtewisse-laars zijn behandeld in bijlage 6 . Er is gerekend met een rendement van 65% voor de indampers.

(26)

I

'

I

'

I

'

I

5 0 -6.6. Warmtewisselaars

In het proces komen vijf plaatwarmtewisselaars CH5,H6,H17, H18 en H20) en een condensor (H22) voor:

H5 koeling van de voeding met smeltwater

H6 koeling van de voeding met gistconcentraat

H17 koeling van de 59~ LiBr-oplossing met water uit warmte-wisselaar H5

H18 koeling van de 59~ LiBr-oplossing met de 56,5 ~ LiBr -oplossing

H20 koèling van de 59 ~ LiBr-oplossing met 57,5 ~ LiBr-oplos-uit indamper V19

H22 condenseert de damp afkomstig uit indamper V19

De warmtewisselaars worden bedreven in tegenstroom.Bij de berekening voor het benodigde oppervlak is rekening gehouden met vervuiling aan weerskanten van de platen.

De totale warmteoverdrachtsco~ffici~nt U kan worden berekend met:

-I

U

h

-I

C

he -

warmteoverdrachtscoëfficiënt van de film aan de zijde van

de koude stroom

h~~ - warmteoverdrachtsco~fficiëntvan de vuillaag aan de zijde van de koude stroom

(27)

I

,

I

,

I

~ S l ~

-~ - warmtegeleidingscoëfficiënt van de plaat of van de ·buis

h~,~

-

Warmteoverdrachtscoëfficiënt van de vuillaag aan de zijde van de warme stroom of van de stoom

h\-t - warmteoverdrachtscoëfficiënt van de film aan de zijde van

de warme stroom of van de stoom De warmtestroom kan worden berekend met:

( 'l.8)

met

In hoofdstuk 8 zijn de specificaties van de warmtewisselaars vermeld.

(28)

.

1 I

I

,

I

,

'

I

,

I

-

SLt-6.7. Pompen 6.7.1. Vloeistofpompen

De vloeistof pompen die in het proces worden gebruikt zijn centrifugaalpompen. Het benodigde pompvermogen wordt berekend met de gemodificeerde Bernoulli ve~gelijking : (U~.IO)

0= - \

0;

+

~.~~

1 ct>"Y1

+ <PA

(~o)

me~ 4>~::: ~Qsso.~\t'OCW) '1'" 'Ks /s

<?A

-=

door

de.

POMp ~e\e~\o ~l"Moge. n

De totale drukval over de leidingen als gevolg van wrijvingsver-liezen met de wand is geschat op 0.5 bar. De drukval over de

sproeiers in de ontluchter en in de absorber is tevens geschat op 2.0 bar. Verder is rekening gehouden met de drukval over de

warmtewisselaars, de hydrostatische druk en de aanzuig - respec-tievelijk persdruk.

6.7.2. Vacuümpompen

In de ontluchter wordt een druk van ~5 mm Hg gehandhaafd door een vacu~mpomp P2.

In de absorberruimte wordt een druk van 3 mm Hg gehandhaafd door

I I

twee vacuumpompen in serie : een .. booster .. pomp PS en een

"

vacuumpomp P8 .

Deze pompen zijn noodzakelijk om het proces op te starten en om tijdens de bedrijfsvoering inerte gassen uit de ontluchter en uit de absorber te verwijderen.

(29)

IN

Voor-waa.rts

f·

'

Massa -en

Retour

Warmt eba lans

,

Q

M

I

M

I

1--~~---+-9-7-2---1

~

- -

J~

0

-1J--_--:..~---_t_l-4.-2-9-___l

voedina I"

I

i4,94 2185, 7

I---~

-(0'

IV '

H5"

I

v .

M

Q

I - - : - - - t '. . '.

UIT

Q

t + f -S-6- S- 6- - 1

G\

J

(;\

56,8 f.

11---~---+-1-.:4~1)-?--1

-

IQ

~r-

- l - J L l L - - - - I - - - - f - - - - I 5 22

~

I

677

~-3

H6

~

-c-concentraat. 5,22 673

I

9, 7 220 , - - \, ,---~ 6

C-

I"

-

~t---I t + + -1-4- 9 - - - - j Î

Q

J

~ If -

C

t--S -, 2 - - : 2 . : - - - t - - - - t - - - - I 31 - -\~ __

4--:

~~ - t - -a3

It---+----+---~

roerder-

'V

verrno(Te_~

I

288

I

(

~

)

~

I----I---+--~

\.:-

\1,

It---~

~

-

--_;---~

'v

1,\

I

_

~, ~

4/.,50

l-d'NI

b

34L

nc

,

Ir----+----+-~~-I-

-

-~

14'

~

-

-t-1-.::..-...:5~4:.3::_=_:

_ _ _

_ t _ - - _ _ _ t

I

I t - - _ - I -_ _ --+--='-::>::...::...-9..:,.=7 S=---I'- -

lfx\--I

\.J----'lL

I

t - - - + - - - + - - - t _1,22

I

_/_~

I

3028 -

_t

I-_\V.I~

I

:

-

-_

..

-1aHs.r

zoet ~

"-ER

YTater' t:;7)H' - - - j lL

,D,

I" 'I'

r:;;'

~ _t-::;S",,6~~

B:;-6_--t

\:J

33 .

43

-498

I

(30)

I

ï

I ,

---_ ---_

~

_ _ ---

.

_ e-l..Q

L-

~

1 ')') 2 8

,_'11

_

-

'0

X

-~8

----::-

-

,J

1\ --r---

L--

-

r .

-L

G

I rc:L-

~6

-

r---~--

~

-'

~f."'r

:-0)

"'"1IA 1 26 L- _ _

~6,86

______ _

1~~ ~_

_ 18

~

11110 .

c \

\. 7 ;-- '- _ J S , 64-

~343

-

---+----

.

-.

-;

-r---r---t----

I "

'OIJ-

Lr

2

683

~

-,. _ _

~PEIl,\

- - - ,

~

___ -- _

~017'972

= _

_

.

tÇ'TIh

-

-1 - - 4 '

~

-t

--

w

I - - -

~~2~8~,ï;sno-{---~-, - 1 - 1 . 1

r l

l U f - _ - I ,89 448 no.:::!oi"Matel(

A,o

I

1

' I

I

-.-

.

~

1 -_ - _

_L

,~

ui2\1

1

ngortom.,at~:=-8

0-- 17 __

----f----L-- . . - _ _ _ _ _ _ I

---r---l--==1

veN

~

.

88,89 29 nn -828

-'

-I

- ---~---,-- _ . -6719 ..---_ ..

_"

-- --_.- -'-- -

-:.

1_-

-

,'-. 11 ,

2~

-

~

_

'

I

2' Î · 25 'f- _11,

n

_ _ ., 27lr

~,~

661

-:

_1 _

---~~~-

-

=

-

- .:;;.

H/~

>

~

=----l--~

--

L

---

-I • - - -

~----

-.

_

.

-I

J~

_~

~rl---+--_·--l

-

. .

-1

~---l27,78

-r

I

~

_ _

""I

r3"6\- _

J.n..L78---o--

-

r

-"11

~

1471~

-MI8

I

----r--~

-- -- -- --

-I

.

-~

2 ~

,OO

I

~I

____

l-=-.-J~35~9~8l=

__

Î

_

-'

-

_

-Ç';

- J

i

-.r---l~--

~

1

_

~__

~;f

wRter-I

r---

_

~

__ --_

-II-=--=~--=-=_=-=

,:

.

,

V, : __

d7~a 3~m o~P\.-j

;

,

-~_---=J----

----i

1 _

__---if-~_.:20; 1~,7 4~ ~~-

I

-

K0 -,

l-B:

L

7 ~

L.--

-

_ -

28 52

h?'-'

---I

• -

-

---,

_

__

~34

- - -

-'-0.

1 _,

_

__

_

__

[

~

_

____

_

r

~1~=~

.

~~~~~Ir-_---+-_

-

~:-1

[_. _ ______ ._. _ _ _ " I - \.

I

--

,

-I

1 ._

...

1 --

--

~

tt~T

.

H2è~

-

=~

-

_

.

----

·- r - - - - I

1 ''' __

...

"

1

'~51

2

· --

---I

-

, I -

_1-"1.,2

8 - - -- -. --. I

f

'ET

'

!O~~

=

_

~-

,

_

-

-_--,.'

-: \1/ l , I

-/ \

-__ __ I __ I

(31)

I

:

I

-1,14 ) 10~,97 --~o- 1'\ I

_"

f - - - -

~--8--

-

01 74 .. stoom

-é

3117 -10070

..:

Massa in kg/s

Warmte in kW

,

2140 L.

Vt3

.

...

"

,

condens

_.'"

,

è-:

1,14· r---. ~~ ...

Totaal

~ ₁₀Ll_·_,97

Fa bri eks vooront werp

No: 2625

714

I

I i

I

j

I

_•

I

i

!

i

I

_I I

J

I

10070

!

I

(32)

I

1

1 I

1 !

_I

.

I

1

1 I

I

8. Overzicht specificatie apparatuur

Apparaat no: Abs. druk Temp . Benaming: in mm Hg l.n

. oe

V3:ontluchter LtS 35 A10:absorber 3 15 V11:vriezer 3.2 -3.8 W1Lt:waskolom 0- -3.8 W1S:smelter 0 V19:indamper 3Lt 70 V23:indamper Lt60 137 I .

Vulll.ng Speciaal te ge-bruiken materiaal rashigringen roestvast staal 316

geen geen

roestvaststaal 316 roestvaststaal 316

(33)

I

1 cc.:i,n:i scrl(: Hobu:choo] De] ft

j,fd. ChemifChE: Tec1molobie

Fabrieksvooront .... 'erp ~o: 2.625 .

Da tum : ApFi 1, .19.8S . . . . . On tworpen door :J..}t •. Sc.he.1l. ep

WA RMT E\'H SSELAARS PEC I F'IKA TI EBLAD T. H. 'Liem

-ApparaatnuTIlmer : H.S.

_·

Aantal : . I . -5-H'-i-el"f>"&1-iH~ *

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN : Funktie

_·

.

_·

_{· ·}

\;I

·

: voedingskoeler Type

.

_·

_{· ·}

_·

: Warmtewisselaar* ~l-e-F-~ v-e-rda~

Uitvoering

_·

_{· · ·}

_·

: me-~ IJ a3 ~-p-i-j-pp-~ *

f.~&t-i:n-g-...fte.aè- 1Ta-~~l-d- dttb-be-re-t"i-jp-platenwarmtewisselaar Positie

.

_·

_{· ·}

_·

_{· · · ·}

: horizontaal/~F-~~&~*, Kapaciteit

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

: J 402.

_·

_{· ·}

.kW (berekend)

\':armt e\á s se 1 end c·ppervlak

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

: 140

_{· · · · ·}

_·

m (berekend) 2

Overallwarmteoverdrachtscoëfficiënt

_·

_{· ·}

: .1590.

_·

_{· ·}

· WIm 2 K (globaal)

Logaritmisch teDperatuurverschil (LMTD)

_·

:

? )9

4.

_·

_{· ·}

oe

Aantal passages pijpzij de

· _·

_{· ·}

_·

:

---

_{· ·}

_·

Aantal passages man te lz ij de

_{· · ·}

_·

_{· · ·}

:

---

_{· ·}

_·

Korrektiefaktor LMTD (min. 0,75).

_·

: 9,95.

Gekorrigeerde LMTD.

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

: ~,

?9.

_·

_{· ·}

_·

oe

BEDRIJFSKONDITIES :

Mantelzijde Pijpzijde

Soort f l u iàum

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

_{· ·}

_·

t-g.is.tw.ater.

_·

smeltwater.

Massastroom

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_{· · · ·}

_.kg/s ' 9.,.7Z

· ·

?6~89

_·

· _·

Massastroom te vel dallîpeTIlk'Q'IH~E!FI-6E!~E!FI.

*

_·

_{· ·}

_·

_.kg/s

_{· · ·}

_·

· · . · ·

_·

·

Gemiddelde soortelijke ",armte

_·

_{· ·}

.kJ/kg· e 0 4., 1.8 .

_·

_{· ·}

{.,)8.

_·

_{· ·}

Verdampingswarmte

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

kj/kg

_{· · · · ·}

_·

Temperatuur IN

_·

_{· · · · ·}

_·

_{· · · ·}

_·

.oe 3.5,.0

_·

'.

·

· 0,0

·

· · ·

Temperatuur UIT

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

_{· · · ·}

_·

_{· ·}

.oe .0,:5

_·

5,9

_·

_{· · ·}

Druk

.

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

·

· · ·

·

bar

_{· · · · ·}

.

. · ·

_{· · ·}

_·

1'1ateri aal

_·

_{· · ·}

_·

_{· · ·}

_·

RVS

316

RVS

3

1

6

·

· _·

· · ·

_·

. · · · ·

_·

·

*Doorstrepen wat niet

van toepassing is

(34)

I

Tccimi ;:.ck ' !iogt:scÏ!ool Delft

Afd. Chlmischl:: Tl::chnologie

Appara:=Jtnurnner : H.6.

_·

Fabrie~svoorontwerp No: 2625 . .

Datum : Apl"i:h )·985· . . . .

Ontworpen door :.J .M •. S.chell en. T.H. Liem Aantal

..

1

.

'~,erl:efycrI a I:t e r*

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN : Funktie

_·

.

_·

_{· ·}

: voedingskoeler Type

.

_·

.

_·

_{· ·}

_{· · ·}

: ~armtewisselaar* -K-oe+e1.--K'O'Trdet ISO I -v-eràarnp e I Uitvoering

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_{· ·}

-me-t-~-e--rri-jl'P'"i-a1:"en

*

.f.J.~-iTrg-~ ~T'cl:d ~-e-f>'ij"fl platenwarmtewisselaar

Positie

_·

: h ori zon taal /~-t-i-k~-*

Kapaciteit

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

: _J53

_·

.kW (berekend)

\-.'armte",·i s se 1 end oppervlak

_·

_{· ·}

_{· · ·}

_·

: 1.2~

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

m (berekend) 2

Overallwarmteoverdrachtscoëfficiënt

_{· · ·}

: t5QO.

_·

_{· ·}

.W/m 2 K(globaal) .

Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD)

_·

: 4,30.

_{· · ·}

_·

oe

Aantal passages pijpzijde

_·

_{· · ·}

: ---

_{· ·}

_·

Aantal passages rr.antelzijde

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

: ---

_·

Korrektiefaktor L~ITD (min. 0,75).

_·

_{· ·}

_·

: Q, ~5 .

Gekorrigef:rde UITD.

_{· · ·}

_·

_{· · · ·}

: lf,99.

_{· · · · ·}

oe

BEDRIJFSKONDITIES :

Soort fluidum

_·

_{· · ·}

_·

_{· · ·}

_·

_{· · ·}

_·

t-gis.tw.at.er.

_·

gi~tçogc~n~r~a

Massastroom

_·

_{· ·}

_{· · ·}

.

_·

_{· · · ·}

_·

. kg/s ~, 2.2 •

_{· ·}

), ;22 .

_·

_{· · ·}

Massastroom _te_{~/k~Rè9R&eFe~.}* _.kg/s

· · ·

· ·

_·

· · ·

_{· · · ·}

· _·

·

Gemiddelde soortelijke 0 .4 .. )

a

".1

8 . .. 'armte

_·

_{· · ·}

.kJ/kg· e

_·

_{· ·}

_·

Verdamp ingsh"armte

_·

_{· · · ·}

_·

kj/kg

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

Temperatuur IN

_{· ·}

_·

_{· · · ·}

_·

_{· ·}

_·

.oe .3~,Q

_·

_{· ·}

_·

;-3 .. 8.

_·

Temperatuur UIT

_{· · · ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

_{· ·}

.oe

_·

Q,~

_{· ·}

_·

)0., 7.

_{· · ·}

_·

Druk

.

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

· · · ·

· · ·

bar

_·

_{· · ·}

.

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

l':aterl aal

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

_{· ·}

RVS

316

RVS

316

· · ·

_·

_{· · · ·}

· · · ·

· *

Doorstrepen wat niet

(35)

- - - - --- -- - - -- -

-I

I

Tb _:-,ni ~;Cill> llq;éschool Delft Afè_ C;-'è!,~~ch:: Téc1mologie

-

68-Fabriéksvoorontwerp Noi 2h25 .

Datum: Apdl .19.85. • • • • .

Ontworpen door :.l.M. 'schell. en

KARMTEvHSSELAARSPECIFlKATIEBLAD T.H.Liem

-AppaTaatniJmmer :

n.n

Aantal : • 1 • -s-e-r-i -e-{-p--a-r-a 1:1 cl-*

ALG El'·1ENE EIGENSCHAPPEN :

Funktie

_·

_{· · ·}

_·

.

-

_·

_{· ·}

: ~iBr koeler

Type

. · ·

_{· ·}

_{· · · · ·}

: Warmtewisselaar*

.l<.o.e.l.e.r-~

~~-Ui tvoering

_{· ·}

_·

: -met:--va-s-t -e--p-ij-pr.>-l-ftt-etr-*

-f~-c--a-t-i -rtb+re-a-d .fl.a.a-1-5-p-e±-è ~-rtri-j-p platenwarmtewisselaar Positie