A.Kessler Ooendersuaat. 14 Delft.
FABRIEKSSOB..EJlA
. -1
AMMONIAK
FABRIEK
September
1953
I: . '
3
Door afkoelen tot -200~C worden CO en CH
vloeibaar, zodat we ten4 slotte na een wassing met vloeibare stikstof H2 overhouden. De benodigde hoeveelheid stikstof wordt meestal door gefractioneerde destillatie uit lucht verkregen. 2) Bereiding met behulp van een watergas generator. Door de producten, verkregen uit de gasgang en de blaasgang, in de goede verhouding bij elkaar te brengen, krijgen we een mengsel van N2 , H2' CO en CO 2 • Hierna wordt volgens de reaotie CO+H20 ~02~H2 het CO met stoom omgezet, zodat we na enige reinigingen, waarin het CO 2 en het onomgezette CO verwijderd worden, een mengsel van 1 deel N2 en 3 delen H2 verkrijgen. Daar wij er van uitgingen dat onze fabriek een afgeronde eenheid moest vormen en dus niet afhankelijk mocht zijn van de aaPWezigheid van een cokesoven batterij, hebben we de tweede bereidingsmethode gekozen. Nadat we het vereiste gasmengsel hebben verkregen, volgt de eigenlijke ammoniak sznthese, waarbij het mengsel onder hoge temperatuur (400 - 550°C) en druk (100 - 1000 atm.) over een katalysator (Fe-Al 20 -K 0) wordt geleid. Een gedeelte (8- 20%) van het gasmengsel 3 2 wordt omgezet in NB , dat door afkoelen of oplossen in water afge3 soheiden wordt. Er bestaan diverse systemen (Haber-Bosch, Claude, Casale, . Mont Cenis enz.); wij kiezen een reoente verbetering van het Fauser systeem, dat juist geschikt is voor de door ons gekozen produotie van 50 ton NH
3
per dag. (zie Chem, Eng. Prog.
6
4§,4l3 (1952».
Opmerkingl Een minder belangrijke manier om NB teohnisch te 3 bereiden berust op de volgende reacties I CaC 2+ N2 ~aCN2 (Calciumcyaanamide)+C CaCN2+ 3H20-CaC03+2NH3
4
BESCHRIJVING VAN DE AlDdONIAlCFABRIEK Aan de hand van het bij dit verslag behorende schema zullen we de producten volgen en waar nodig een verduidelijkende besohrijving geven. Het proces begint met de automatische bediende watergas gene~ ' .
rator ,die met de recuperator en de ''waste heatboiler" een eenheid vormt. Cokes wordt automatisoh uit de vooraad ruimte toegevoerd, met het gevolg dat het bed in de generator voortdurend op dezelfde hoogte blijft. Gedurende de blaasgang worden de gassen in de reouperator verbrand met een automatisch gecontroleerde lucht supletie. We hebben een gasgang, die naar boven door het bed gaat en 66n, die naar beneden gaat, in dit la4tste geval wordt de stoom voorverwarmd in de warme reouperator en het gevommde watergas gaat direot van de onderkant van de generator naar de scrubber. Er is een aanvoer nodig van ongeveer 70 ton cokes per dag. Deze hoeveelheid levert ongeveer 3750 ou ft/min ( 6000 m3 juur) gas, die voor de CO conversie de volgende samenstelling heeft. 22% N , 4% CO 2 2 37% CO en 36% H2 • De afmetingen van de generator voor de door ons benodigde outpu~
zijn te vinden in publicaties van constructeurs van .generatoren.
(o.a. Appleby). Uit de afbeeld.gen in deze boekjes blijkt de onderlinge verhouding tussen de recuperator en generator. Deze onderlinge verhouding hebben wij bij ons schema gehandhaafd • •
Onder aanname van de meest waarschijnlijke warmteoverdraohtscoefficient kunnen we de afmetingen van de ~steheat boiler" berekenen. We veronderstellen dat de gassaen met een temperatuur van 450° 0 de wasteheat boiler binnentreden en hem verlaten met een temperatuur van 185 ~ C. De afmetingen worden
nUl
lang
4 m, diameter
2m. Er zijn drie "passes", daar anders het Reynolds getal te laag zou zijn. Men kan berekenen dat hier ongeveer 25kg/min stocm van 165°0 geproduceerd kan worden.
6
De CO conversie vindt plaats door het gasmengsel in 2 convertors, die temperaturen bezittn van 570°C en 445°C,bij atmosferisohe druk over een met ohroom of nikkel geaotiveerde ijzeroxide oontaotmass& te leiden. Er zijn Beer weinig gegevens te vinden over de afmetingen van de convertors. Het katalysatorbed is niet erg hoog. Om niet een te korte contaottijd te verkrijgen moet de diameter van het katalysatorbed groot zijn. De reaotie is exotherm, de temperatuur in de katalysatormassa (570°0) is dus hoger dan die van de toegevoerde gassen (450°0). Daar de omzettingsgraad ongeveer 90% begraagt krijgen we, afgezien van de waterdamp, na de oonversie het volgend gasmengsela 51% B2' 16% N2 , 28% CO2 en 31% co. De hoeveelheid bedraagt nu 5000 cu ft/min (8100 m3/uur). De nog warme gassen worden nu gebruikt voor het opwarmen van het water, benodigd voor de saturator. Dit gebeurt in tegenstroom in een mat raschig
ringen
de saturator (Tgas in : 225 0 Tgas uit
gevulde ruimte direot onder I
80
0).
Bet gasmengsel passeert vervolgens een oondenaor, waar het gas in tegenstroom in contact komt met koelwater. De temperatuur da~lt
er van 80·0 tot 17°C.
De hoogte is geschat en de diameter
BO gekozen, dat de gassnelheid ruim 1 ft/seo bedraagt. tot
Het gasmengsel moet nu gezuiverd worden van CO2 en CO, voordattde eigenlijke synthese overgegaan mag worden. Hiertoe moet het gasmengael in eerate instantie geoomprimeerd worden tot 19 atm. Dit geschiedt in de Clarke 1 oentrifugaal oompressor, die juist geschikt is voor de door ons gebruikte hoeveelheden. Bij deze druk brengen we de gassen in tegenstroom in contact met water (900 m3/ uur.) Dit gesohiedt in een 11 m hoge met Rasohig ringen gevulde kolom, waaraan de diameter 10 om bedraagt (de gassnelheid bedraagt dan 1 ft/seo
I
geen entrainment). Het bijna volledig
met CO verzadigde water verlaat de kolom aan de onderkant en gaat 2 via een "Pelton power-reoovery system tt , waar de druk -afgelaten wordt, naar de ontgassingstoren. Bet zou veel tijd kosten de exacte maten voor deze toren te berekenen, maar vergelijking met de afmetingen,' die koeltorens bezitten, leert ons dat we een toren met
8
Voor de ammoniak synthese hebben we het moderne systeem van Fauser Montecatini gekozen, hetgeen een recente verbetering is van het Fauser systeem, dat toepassing vindt in Kechelen, Sluiskil en Lutterade. Het bijzondere van dit systeem is dat er stoo. wordt M
geproduoeerd, dank zij de reactiewarmte die vrijkomt bij synthese
.
•
reactie. Het systeem werkt bij een gemiddelde temperatuur van 475·0 en een druk van 300 atm. Om deze druk te bereiken moeten we het gas comprimeren in een "ntraps zuigercompressor. Wanneer we 300 omwentelingen per minuut veronderstellen krijgen we als afmetingena slaga 40 om en diameter: 8 om. Via een olievanger wordt het geoomprimeerde gasmengsel naar de onderkant van de convertor getransporteerd. De gassen gaan via een warmteuitwisselaar en vervolgens door de ruimte tussen de katalysatormassa en de wand naar de top van de convertor, waarna ze naar beneden door de lagen katalysatormassa worden geleid. Het voedingswater komt eerst in een warmteuitwisselaar, waarvan de afmetingen berekend zijn (U = 12). Vervolgens wordt de flash-kamer gepasseerd en gaat het water via een oiroulatiepomp naar de koëlbuizen tussen de katalysator lagen en weer terug naar de flaah-kamer. De hoeveelheid water oontroleert de temperatuur in de katalysator ruimte (400-500 P C). Wij produceren op deze manier ongeveer 40 ton stoom per ~ag. De maten van de oonverto~ zijn onbekend en te moeilijk om in dit bestek te berekenen. We hebben nu de afmetingen aangehouden die bij onze productie voor een Haber-convertor zouden gelden. Nog enige gegevensI
% ammoniak: in gas: in : 1 , 5% "
""
uit
2cY%
Temperatuur van het gasa in: 2~0 uits 100"0 ~a le warmteuitwisselaars 50°C Na de eerste warmteuitwisselaar passeert het gasmengsel een tweede koeler waar de temperatuur daalt van 50 tot 25°0. De afmetingen zijn weer berekend onder de aanname dat U - 12 BTU/hr.sqft.oF
13
Er wordt 3600 st. cuft/min gas getransporteerd. D.w.z.1 1.020.000 . 28 ..3,,2 liters/min of bij een gemiddeld moleculair ge~cht van - 4 - 8,5 ; 4550 mol per minuut. Er condenseren dus - 3,35 mol H20/min - 60 gram/min.
0,00073~
4550
-
=
Deze berekeningen zijn uitgevoerd onder de aanname dat we ....
met een ideaal gas te maken hebben, hetgeen niet geheel juist i • bij deze drukken. Aan de hand van tabellen en figuren in Perry blz. 205 en 353) kan men zien, dat de oompressibilityfactor voor H de volgende 2 waarden heeft. in. 1,007 en uit: 1,022. Voor N2 zijn zeI in: 0,988 en uitl 0,995. De gemaakte fout kan dus hoogstens enkele procenten bedragen.
(
•
