_ .J
----
~
-
I
Fabrieksvoorontwerp v oo r ee n Ammoniumnitraa t -fabriek v ol gens het Stengel proces .
Delft, 19 maart 1968 .
J. H. Koper o. g . Jansen . Prof . Delft.
Eve rt slc, ~ n
145 ,
-
-
- -
-
~
-
-
-
----~
1.
Fabrieksvoorontwerp voor een am monium -nitraat-fabriek volgens het Stengel-proces. (litt 1 ) .
I. Samenvatting .
Ammoniumnitraat, verde r aan Ge duid met An. Met een zeer ln.:1g watergehalte wordt virkregen door het te l aten ont s taan bij een tem pe ratuur boven zijn smelt punt. In dit van
CA,
on~~ern
is uitgegaan van een temperatuur
o
180 • Daartoe worden de re"!ctanten - salpeterzuur vn.n 58% en
watervrije ammoniak voorverwarmd tot 140°. Omdat de vereiste temperatuur I
boven het kookpunt van het salpeterzuur ligt, vindt de
re~ctie
plaats
bij 3 a ta in een gepakte kolom . Hierdoor is het proces continu. De capaciteit van de in stal latie is 300.000 ton/jaar. De in de reactor geproduceerde vloeibar e An en stoom worden in een cyclonn gescheiden . De in )let An nog aanwezige wat e r damp wordt er vervolgens uitgestript in een gepak te kolom dool' het Qoorblazen van hete lucht. Vervolgens wordt het An. in een pri l toren tot uniforme l:orrels verwerkt met een diameter van 3mm . Hierna worden de korrels snel gekoeld in watergekoelde roterende trommels (litt
5, p 36).
Tevens wordt het oppervlak geimpregneerd met magenta-rood om later samenklonteren te voorkomen. (litt 4, p 474) .
2.
11. Inlei ding . 1. Bigensch app~n VQn ammo niumn itraat (litt 7, 14) witte krist alijn e stof . An is bij norm ale omsta ndigh eden een stabi ele en heeft in vaste Het smelt punt ligt bij 16 9 , 6'-' C. Het is hygro scopi soh toest and vijf mo dific aties : stabi e l tot V
IV
stabi el van
111
stabi el van
11 I
_1 8 0 C 0 -18 tot 32 ,1 C 0
32 ,1 tot 84 , 2 C 84,2 tot 12 S, 20C
stabi el van stabi el van 125,2 t ot 169 , 6°c
(tetr agona al ) (rhom bisch ) ~hombisc h )
(tetr a gonaa l) (kub i sch)
An korre ls. Deze polym orfie is de oorza ak van het samen koeke n V~~ , ofwel er Ter voork oming hierv an kan e cn "dop e" worde n toeg(;J"oegd gebra cht . kan een mante l inert mate riaa l om de korre ls worde n dat deze ontBoven zijn smelt punt begin An te ont leden , zij het opt. Tot ca ledin g pas bij ca 210 ° C in meetb are hoeve e l heid verlo o· 300 verlo opt z ij h oo fd zake lijk volge ns N 0 + 2H 2 O > NH N0 2 4 3 :Boven de 275° wordt ook stiks tof gevor md volge ns
>
5NH4N03
4N2 + 9H2O +
2HN0
3 ide, zuur, De therm i sche ont l eding wordt geka tal i seerd door chlor e redox syste men. organ ische produ kten , chroo mhou dende stoff en en a.nder De ontle ding neemt bij verho ogde druk toe. volge ns: An kan mits voldo ende ingel eid det onere n , dan ontle ed het >
2 . Toepa ssing en . (li tt 14) wagen s het De belan grijk ste toepa ssing van An is als kunst mest, h oge stiks tofge halte (35 gew. %) gd met miner a le Voor ts wordt het gebru ikt als sprin gstof b.v. gemen . Wegens het olie of met ander e sprin gstof fen zoals trini troto lueen gebru ikt in busvrijko men van zuurs tof bij de ont ledin g wordt het kruit meng sels o . a . in raket stuw stoff en . Het heeft een posit ieve zuurs tofba lans v a n 20%.
---------------- ----
-
-
- - - - - --
3.
Het is zeer eorrosi0f ook in
o; l ossi~g
spec i aal t.o.v. koper en
alliages daarv3n . In ge rin ge re matn
wor ~ t
An
~0~~;ikt
voor de bereidin g v an l achgas
( d i s tiksto foxiJe) v -"")o r narr. c .,e'oc l ' indl:n .. Oo]r voor de z ', iv c.:r :ng
~ :(!~
v :n
sy" t el. ... p'e brL,':'kt "lCn het ,
3.
Techn L~. ,'
-:7. ' i !TI 8 r.1etale n volfSsns het
aL-'J1!~d(.
t-
de beh,ndel i n g van t ex ti e l -
bel'd ,i ingsmogcl":",jkheden Citt 4,5 . 6;
An wo rdt hiin:=t uitsluitend bere ia zuur met
~i:i
~ ones':1el
~mmo niak
(10"1:'
-le neuuc.li satie van sa l peter-
volgens de reaktie : óH= - 20 , 6 kca l/mol
+
De praktische uit-v oeringen hiervan variêren in het benutten van d e vrijk omende neutralisatiewarmte en het verwijderen van het water afkomstig van het verdunde sa l peterzuur . Dit
l ~n tste
maakt bij de meeste
processen het gebruik van verdampers , kristalisetor e n ete noodzake li jk . Omdat op l ossingen boven de 90% An a l s exlpo s iefSevaarlijk wor den be schouwd , werd tct voor k ort meestal met v erdl'Jld salpe t erzuur ( 45%) ge werkt . Ook werd de temperatuur l aag ( max 150°) gehouden . Daardoor moest via indamper r-: - fll of ni e t v a cuum - na de neutralisatie de concentrati e worden verhoogd . Het Stengel-proee.
ond(':r:;r."heirH zich daa.rva n doordat het we l werkt in .
"
het gevaarlijke concentra tü:- \.O n t ':;mpe r a t uurgabiad, maar doo r beperking v a n hoevee l heid en verblijf tijd de ri sic o' s binnen toelaatbare grenzen houd t . (li tt 2) Een v ariatie hi e rop vo or salpete rzuur met een ccnc ent r atie v a n meer dan 60% is be schreven in een Franse octro oi é'c..nvro.ag (li tt 17) . Ande r e processen v oo r de l"'-reidin g va n An zij n
O. D, .
A. Ka tal yt i sche oxida t i e van ammoniak waarna de stikstofoxi den worden geabsorbeerd in een gerecirculeerde An - oplossing . Aan deze op l ossing wordt dan tussen de cycli f',mmon i ak toegevoegd . 13. Ouder is de dubbe l e omzetting vari ammoniuinsulf'at1 t met calcium - of natriumnitraat , waarbij b . v . cal ciumsulfaa t neer s l aat en een opl ossing van An ove rblijft .
4.
Voo r de v or mgev i ng van de korrels kan worden gekozen uit (l i t t 4, p 30) 1. granu ler i ng , do or t ijdens het stollen in de sme lt te r oer en . 2 . flaki ng , door h et vl oeibare .An t e doen stollen op een k ~ e lwal s
en het
3 . K- e l en t o t 't .
d a arv~ an
~ la t e n
af te schrap en .
en de z e te verbri jz elen in een molen .
?ri ll erJ .
'- . 18. t
êi al
' C"> t,
pr odukt nauwe eisen worden ge s t e ld wat betreft
~t1~,"0tiIlg ·_.
( 100 r het gebruikt van mechan i s che s trooiapparaten )
word t a a 11 :
,.,t
pr i llen de voorkeur ge g ev en . Hierdoor ontstaan
k orr e l s var. 'm if o rme gr oott e , die h e t me e s t bolvormi g zijn . 111. Type pre e es , produ k ti e:. ûe v s cl 1. ei d en pl aa t f. van de f a briek
Het Stengel pr oc es is een z eer eenvoudigpeutral isat i e proces en v e rgt een re lat ie f ge rin ge investering . De te mpe ratuu r is echter van dien aa rd dat h et noodzakelijk i s extra aandacht te besteden aan het veiligheidsaspect , zowel wat de procesomstandigheden betr e f t , al sook de li ggin g van de reakt or t . o . v . de andere fabrieksgeb ouwen, op slagplaatsen en omliggende bebouwing. De in s t ala t ie is ont wor }"l en v oor een produktie van 300 . 000 ton p er j aar. Ge zien deze ho evee l he i d is he t gewenst de
~abriek
te
b ouwe n in de omgeving van een ammoniak- salpeter-zuur fabriek. Voo r de afv'J er va n h e t b l llkprodukt ·.is liggi!1g aan go ed vaarwater no odzakelijk. Gezien het toch
no~ ~~nwaz i ge
risico, kan de f abriek
niet in een dichtbev olkte ongevin g worden gesitueerd . Uit he t oogpunt van risi co- s preiding zou h et
00 ;;:
te overwegen zijn de
totale pr oduktie ni e t in een eenheid te plannen, maar in twee of meer pr odukti e li j nen. Zu lk s cfD 'l a t het uitva ll en van de ·installatie niet tot te grote schokk en in de v e rk oo p z ou leiden.
5.
IV . Besch r ijvin g v a n het proces . ( l itt 2, 3) Sa l pete r zuu r v a n 58% en 2S 1C wc rdt l i t een vo or r a a dtan k ge p ompt tot een d r u k van 3ó. t a . Het
~el ~ e t
st roo ''j . De ze FRC word t
V'JC
:'ge .
zodat e en DH v a n mi n : : "ten. 7,5
F ~C
wor:t v '- a een t ~,u rd
a f gestemd op d e ammoniak-
d: 'n' de pH- meters i n de reactór,
'tl cr~ t gehand ~l aa f d.
Het zuur word t in e e r,
o
r oes tvr i ,i [-: t 8 len wa r n t cwi. sel a ar v cr \o:ar::ld t e t 80 , da&rn a word t he t i n c
een tl'lnta'1.1 w." r mt e wi ss el"ar Vl'rr-,':' t ·)t 140 , . Het k ookpunt li g t bij 38 t ,8 hij'fl
:)
1 5~ '
• Daarn &
r(;!1 (' tOL'
.' -·s p r oe i ~ .
':loei b - ~
'Y'
ver e ;."",r'
·~ ~e r
amLCl .~,
gepc~~t
''';'1 -;,rJ
t
I. "- t 0
oor
' ' T"n ')a"0a en ~n
- c.r
0";:
1"
c: eik c r
.Jven i n :ie gepak te k ol om-
wurd t ui + ("
v ervolgens V1R een verhit+p-
de r to: ./. tc r k op rr"voercl. h18l' unt stRP" - -'-J een
voorr qadva t naa r e en ,; }.J
140
1 ::" :JK
o
ev eneens
van 3a t r-t a en
~okende An -oploè s i n b ~ct een tempera~~ur VHn ca 190° . De pakk ing in de reak tor zo r g t voor een vo l doend gr1jo t, con tac t en con de n sa tie opp ervlak . Vo l gen s de literatuur (l itt 2 , 3) is h e t zo n der me er moge lijk met de
pakkin g d e druk bovenin de k ol om te handh av en . Mo c h t zulks niet he t geva ] z ijn dan mo et onderin de re ak tor ee n smoo rkle p wo rd e n in gebouwd. Ond erin he erst een druk v an 1 ata . Gaande door de k o l om neemt de concentra t i e toe, zodat on der in ee n k oke n de An op l oss ing van ca 97 ~ met een . t empe ratuur v an ca 205
0
s a men me t oververhitte s toom vrijkomt.(litt 13)
Het J oule-Kelvin effec t op de stoom is t . o .v. de t o tale warmte verwaarl oos baar (litt 9, p 146) . I n een acht e r de reak to r gebo ~wde c y cloon word en de druppelt je s An v an de stoom ge sch eid en. Een gedeelte v a n d e s t oom wordt gebruikt t e r verdamping van de a mmoni ak. Om het
la~. tste
wat er u it het .An te v erwijderen is achter de k ol om een gepakte kolom gebouwd, waar met h e t e l ucht de l aatste water damp wo rdt uit g estript t ot c a 0 , 2~ . Hi e rna wor d t het product in een pri l toren tot k orrels verwerkt. De warme prils word en ov erge bracht in een r otere nd e koel trommel wo,cr h et opp erv lak ' word t geimprogneerd met magentarood . (litt 19 ) V. Massa en wa r mteb a l ans Thermo dy nami s che gegev e n s . Voo r zo v e r in de ~tt e r a tuur geen exp li ciete waRrd e n werden g evonden z i j n de gegeven s b e r eken d (z i e VI) . Mo l a i re en t a lpieen. bi j 25
0
en 3ata .
Voo r v l oe i s toffen i s aan genomen dat de druk ge e n invloed heeft op de mola ire en talpi e , v oo r ammoniak gas is zij
ber ek end.
I
I I
I
I
6.
/
NH
-65 4, 7 kc al / kg ( z i e VI)
- 11,13 k cal/mol
(g)
3
"
-742 , 7
H 0 (1) " 2 NH N0 ( S I V) -8 7 ,27 " 4 3 Soort eli j k e warmten gemiideld :
- 3795 , 4 - 1090 , 9
-46, 79 - 68,32
HNO3 ( 58% )
NH
3
HNO3
f)
(1)
4 , 5 kcal / k g/' C
( g )Rta; ( 58%)
,-. ....."
H 0 2
I!
NH N0 ( s I V) 4 3
I
"
..........
II
'J , G~
( 1) (g)
II
re
1,
°
" " "
" (litt 10 ) 33 , 6 cal/mol/oC ( litt 11)
"
') ,4 2
"
111
0,36
"
28 ,4
"
11
0 , 43
"
= 34 ,1
"
I
0,57 0 ,48
" "
45 , 6
" "
0,24
"
(1) luch t
(litt 8 , p 9 ) (li tt 8 , p59 )
( l itt 9 , p 86 ) ( l i t t 9 , p 83 ) (z i e VI )
A'7
'1
( z i e VI )
38 , 5
(l itt 12 )
Overgangs wamrten : N1I
3
v erdamp en ( 3ata) verdampen
H 0 2 NH NC smel ten ( 196,6°) 4 3 11-1 ( 125,2°) 111-11
IV- lIl
309,5 kc al/kg
(l i tt 10, p 2556 )
( 84 , 2°)
" 538 1 ,3 kca l /mo l. = 16,25 kcal/kg (li t t 8,p 59 ) "' 12,6 2 " 1, 1 0,32 4, 00 " "
( 32,1 °)
0,38
°
"
4 , 75
"
Mas s ::t- ell warmt es tromen . 1.
ammon i ~kverdampcr
to evo er 2 ,1 25 kg/sec vloeibaar ammoniak van 15°= - 2060, 4 kca l/sec
2.
toevoe r ve r dampin gs warDte 2 , 125 x 309 , 5
=
675, 5 k ca l /sec
af vo er 2 , 125"kg/sec gasvormig amm oniak van 15°
=
-1402, 9 k cal/ se c
~mm o n i n k
verh itt er
t oevo er 2 , 125 kg/sec amm oniakgas van 15°
= -140 2 , 9 kca l/se c
toevo er voel bare warDte 2 , 125 (140-15) x 0, 55
a
a fvoer 2 , 125 kg/sec ammon iakgas van 140°
= -1 256 , 8
146 , 1 kca l/sec kca l /se c
--------
7.
I,,
3 . salpeterzuurverlÜ tter I toev oer salpet e r zuur 58% v an 25 afvoer salpe t erzuur 58% VFl.n 80
0
13, ~ 87 k g/ s ec
0
13,58 7 k p;/:;ec
entalpie salpeterzuur 7,875 kg=7,875x-74 ~ ,7kcal/ n ec=water
k e =5,71 2x-37 q~ ,4
5 ,712
5848,8 kbal/sec 21 679 . 3 kcal/sec
11
- 27 528,1 kcal/se c voel bare ~8 ~~te 13,58 1.(80- ? 5) .0,68 =
508 .1 kcal / s ec
. ,fv . ! t;r
- 270? O, 0 kcal/sec
4 . sall.:" . "TZU ~. · t oevoe.r I
afv oel
I I,,
o ~hitter
11
.":p.rzuur 'ÖIO s qlneterzuur 58%
Sb.~
Vb.l; Vb.l"
..JJi
.~ \.-
13,587 C
bd
-270io ,0 kcal/sec
~ G
1,;,587 kg/ 8ec
voelbare warmte 13,581 .(140-8C). G, 66 =
554 .3 kcal/sec
afvoer
-264 65 , 7 kcal/sec
5 . reactor toevoer 0
sa lpeterzuur 5e% van 140 0 ammoniak van 140
- 26465 , 7 kc a~ lsec
13,587 kg/sec kr.L se c
1256 , 8 kc a lLsec
15,71 2 kg/sec
- 27722 ,5 kcal/sec
2 11 2 ~
afvoer stoom + kokende Anoplossing ( 97%) van 205 6.
0
~Ç.loon 0
toevoer st oom + kokende Anoplossing (97%) van 205 =-27722,5 kcal/sec a fv oer stoom van 205
0
5 , 402 kg/sec
molaire emtalpie 5 , 402x-3795 ,4 kcal/se c
=-2 0 502,8 kcal /s eG
voe lbare warmte + verüampèn 5 ,402 «100-25)+538+(20 5-100) . 0 ,47 )
=-
3578 . 3 kcalLsec
-1 6924 ,5 kcal/sec afvoer naar st::.. ipkolom 97% Anoplossing 205
0
-10798,0 kcal/sec
7 . stripkolom t oevoer
l 'lng van 205 0 nop oss 97 d A
-10798,0 kcal/sec
~
amm.nitraat
10, 0
kg/sec
water
0,310 kg/sec
lucht
0,30
kg/sec 11.5 kcalLsec
0, 3x( 18 0-20)cl 24 toevoer
-10786,5 kcal /se c
- --- -
-------
8.
afvoer lucht van 205
0
0,30 kg/sec kcal/sec
6, 3x ( 205 - 20).0,24 stoom van 205
0
0 ,2 90 k g/sec 0,29x-3795,4
-1100, 7 kcal/sec
a
0,29x(75+538+105XO,47) - ___1~9~ 2 ~t_1_k~c_a~1~/_s_e~c - 908, 6 kcal/sec_~9~0~8••_6___ k_c_a_l~/_se_c_ v l oeibaar An van 183, 6
0
-895,3
kc a l/sec
-9891.2
kcal/se c
-1078 6 ,5
kcal/sec
me t 0, 2% water
8.priltoren toevoer
o vloeibaar An van 99 , 8% van 183 , G 10 , 02 kg/sec lu cht van 20 0 10 ,8 m3/ s ec
- 9891,2 koa l /sec
a fv oe r warmte 10K(18 3 ,6-1 96 , 6)xO , 48+16,25 kcal/sec vast An van 169, 6
0
230
k Cfü /se c
-10121,2 kcal/sec
( 99 ,8%)
Deze laatste waarde is opgeb ouwd uit de vo l gende componenten. water 0,02 kg/sec = 0,02x-37 95 , 4
- 75 , 9 kcal/sec 2,9 kcal/sec
verwarmen 6,02 x 144, 6x1
- 73 , 0 kcal/sec An 10kg/sec verwarmel'l
m
":'1,,0 4..;1.'
10x1090, 9 -- '';' - 32 ,
10
overgang IV-lIl verwarmen 32,1-84,2
o
-10909.0 kcal/sec - 10982 , 0 kcal/sec 10,7,1 x 0,42
29 ,8 kcal/sec
10x4,75
47,5 kcal/sGc . 187 ~ 6 kcal/sec
10x52,1xO,36
overgang fII-II o 0 verw. 84,2 -125, 2
10x4,00 10x41xO,43
17 6 ,3 kcal/sec
overgang II-I 0 verw . 125,2-169, 6
10x 12 , 62
126 , 2 kcal/sec
10x44,4xO, 57
2~2 21
40,0 kcal/sec
kcal Ls8c
860,5 -10982,0 kcal /sec -10121,5 kcal/sec 9 . koeltromm el
•
afkoe l en der pril s van 169,6
0
tot 32
af te voeren warmte 833 kca l / s ec
0
- - - - - - - - - -- - - -
----
-
9.
toevoer wa ter 15 afvoer wa ter
45
AD-prils 32
0
28 kg/sec
0
0
28 kg/se c v a n 99 , 8% =
-10954,5 kcal/sec
Toe te voegen magenta ro od voor een opperv lakte behandeling die een concentratie geeft van 0,1% (litt 19) aan het opp ervlak ' 5 gr/sec. VI. Thermodynamica. a. Ber ekening van de molaire enthalpie van ammoniak ( g as) bij 3 atmosfeer. Gegeven is bij 1 atm. H~ = -11040 cal / mol . (litt 8, p 54) Uit
dH -
VOlgt(~)
~dS ,
.. T T
+ VdP
(~~ )
T + V
-T(~~ ) P + V =-T.V.e + V waarin e =
1 (dV) V dT P
V( 1- T. C.) RT ( 1- T . e . ) P
o fwel dH
RT -p-
( 1- T.e.) dP
numeriek ingevuld met e = 0 , 0038 (litt 10, p 2335 )
H-H~
= 1,987x298 (1 - 298xO , 0038) In
t=
-85,8 cal/mol
dus H = -11125,8 cal/mol = -11,13 kcal/mol. b. De molaire enthalpie van 5e% salpeterzuur werd grafisch geinterpoleerd uit de gegevens uit Rossini p 56 (litt 8) HN0 • H~ = -41404 c a l/m o l 3 HN03.H2011 = - 44538 cal/m o l
100% salp . zuur. 77,8%
HN0 .2H 0 H~=-46204 cal/m o l 2 3 HN03.3H20 " --47 212 cal/m o l
63 , 6%
HN0304H20 " =-478 52 cal/mol
49,6%
56,8%
" " " I!
c. De soortelijke warmte van 58% salpeterzuur werd berekend door de gegevens uit litt 18 Erg. Bd 2 - 2- p 1657 grafisch uit te zetten waaruit de volgende formule kon worden afgeleid. c
p
=
0,635 + 0 ,00064T
Het lineaire verlo op en de geringe variatie me t de temperatuur wordt bevestigd door W.L. Sibbit e.a. (li~t 20).
- - - - - - - - - - - - - - -- - - ----
10. VII. Berekening app a r a tuur . a.De ammoniakverdamper . Toe te voeren warmte 6 57 , ) kcal/sec = 20 5
0
130
0
,
2 , 75 .106wJtemp er~tuur
stoom in
uit wa te r 100° , am r:l,:m i a k 1 ~/ , l oe-arthr:lisch temper2,tuurver sc hil
•
2 Q - A.U. 6T , volgen s Krp. ::Jer s (l i tt 16 , P 124 ) U= 200 0 W/ m / oC w 2 Ben odi gd oppe rvl ak 10 , C m , bij e en p i:i pd i amete r va n 2 ,54 cm. i s nodig een t otale n ijplen p te v a n 1: 5 m. Bij e en p ij plengte v a n 1, 25 m lin ge '1.f s tand deL' pij pen van v a n 0,75 x
O , 7~
~
llUd i C 100 p ijp en . Neemt men een on d er-
z~Jn CliJ
,lan v '- rgt
.~ t:.
pi,4"penbundel e en r u i mte
y 1, 25 m
b . .i:,e '1.mmo ni'-'.. Toe te voer eu ~ -~~n 1A6 ,1 k r al / s pr
=
~.1n .1 n 5 ~
Temperc. tuur an:::,'"" nüo.k in 15" , uit 140" , stoom i ~ l ogarithmi s ch Q
w
t empe r atuurver scll ~-"-
170°, wc,ter uit 170° ,
ie . 2
- A.U.l\ T, vo l gens Kram ers (Utt 1é ) U = 300 W/ m /oC.
2 Benodigd oppervlak 25 , 8 m . Bij een uitwend i ge pijpdi am etar van 32 mm , 2 bedraagt het oppervlak 0 , 0785 m /m , dus de totale pi jplengt e 32 9 m. Bij een lengte v a n de dubbe l e verhitter ( z ie t ekening ) v an 3m , z ijn per verhittereenheid nod ig 55 pij pen. Steek van de pijpen 1,4D
u
= 1,4 x 32 = 45 mm o
Bij een cirkelvormige pijpenplaat bedraagt de faktor m vol g en s de V. D.I. voor 55 pijpen 7,11 2 . De diameter v an het verhitterlichaam wordt dus D. - m x 45 = 7 ,11 2 x 4 5 mm 1 2 x -t?;pijpdiameter
320 mm
2 x a fst and pijp/wand
32 mm 6[, mrn
dikte tussen schot
10 rp m
2 x wanddikt e = 2 x 10
20 mrn
Uitwendige diam e ter
450 mm
c . De eer s te sa lp eterzuu r-v erhitt e r . Toe te voer en warmt e 508 ,1 kcal/ s ec = 2 , 13 .1 0
6
W
Temperatuur stoom in 17 0° , water uit 170° , s alpeterzuur in 25° uit 80°. Loga rithmisch temperatuurv erschil 117° .
------------~-----------------------
----
11 .
2 Volgens Kramers U = 3000 W/m /oC . 2 Benodigd oppervlak 6 ,1 m Bij uitwendige pijpdiam eter van 32 mm , nodig totaal
78 m pijp.
Bij een lengte van 2 m zijn nodig 39 pijpen. d. De tweede salpeterzuurverhitter o Toe te voeren warmte 554,3 kcal/sec
=
6
2 ,32.10 W.
Temperatu~r stoom in 170°, water uit 170°, salpeterzuur in 80°, uit 140°. Logarithmisch temperatuurverschil 43,5°. 2 Benodigd oppervlak 17,8 m , totale lengte 227 m. Deze tweede verhitter dient door de corrosieve eigensohappen van salpeterzuur bij de gegeven temperatuur te worden uitgevoerd in taDtalium. 6.
De reactor.
ne berekening is gebasseerd op experimente le gegevens. Volgens Kil'man (litt 13) levert een react or volume van 1 m3 een produktie van 25 ton~ volgens
Hester (litt 3) laat zich berekenen dat 1 m3 reactorvolume
levert 22,2 ton/uur. Omdat het reactor ontwerp ae~sluit bij diD laatste gegeven , zullen we dit getal aanhouden. De produktie van 10 kg/ sec komt overeen met 36 ton/uur. Dit vergt een volume van ~~,2 = 1, 62 m3 • In verband met de benodigde drukval is een hoogte
ve~
3,05 m noodzakelijk,
daaruit volgt een diameter van 0,806 m. De sproeikop in de reactor kan als volgt worden berekend:
Toevoer sa lpet erzuur 13,586 kg/sec , dichtheid 1,356 (li tt 10, p 2048 ) 2 volumedebiet 10 ltr/sec = 10- m3 /sec . Volgens Kil'man (litt 1 3) i s 1,5 m/sec een optimale uit stroomsne lheid. Het tot ~ le uitstroomoppervlak 10- 2 -3 2 bedraagt dus ~ = 6 , 66 .1 0 m . Als we uitgaan van gaatjes met een diameter van 1,5 mm , zijn dus nodig totaal n
6,66.10 -3 Z' 0,785xO,001 5
3770 gaatjes .
f. De cycloon,
Af te voeren stoom van 205
o
en 1,04 atm. Het volume van het An kan t.o.v
de stoom verwaarloosd worden. Het volume van de stoom bedraagt 17.56 1,04 3 00,1153 = 1,96 m /kg . Stoomafvoer 5,402 kg/sec
= I
5,402 x 1,96
=
10,6 m3jsec.
'
3
Bij een verblijf tijd van eén seconde is het benodige volume dus 10 , 6 m • ~ij
een diameter van 2m is dus een hoogte vereist van 3,4m.
12 .
g . De stripkol om . Volgens de litt eratuur (l i tt 2 en 3) is een h oo gte nodi g v oor het terugbren gen van het water p;eh nlte t o t ca 0 , 2%vr-.n 1. 50 m Volgens Rester is (li tt 3) '''iJor 0 , ~8 ton / uur een vo lume nodig v a r 6 , 6 .1 0- 3m3 . Ergo w'Jrdt VJor 36 tor/uur oel volume verl angt van
36
. 6 , 6 .1 u' - 3m'"., 3
h . De
pr ~ ltoren
0 , 28
Aangev 0ATd w ora~
Bi~, _" een h oug te van 1. 50 m i s dus de diame ter 0 , 85 m.
on
warLltE. ""dTahL _ ~ . De
E'.':
V08.L'c-,
'te
Nemen we
'0
~P/8PC ge sm c ~~en An V8n 183 , 6
De soo rteli jk e
is dus
,. ",....,np ~8
tuur in :?n'-'
..
uit
o - ,
'Ir
2:>;0 .I
~.
lucht s tro om van
y
kcal / k g/)C , de sme l+w"'r'iJt e 16 ,25 kcal/'.:,:: .
---"" ~"lte
&:->n L ... ,
0
=
d",n i s no d i {;- een 7
10,8 m.)/ sec •
0 , 24 . 1 ,1 8 . / 5
'- ' p.p.L -
Gregoric (litt 15) gee ft een methode om de tij d te b-erek enen nodi g voor h et vo Jledig stol l en van eeI, druppe l. De wa r mte gang door de reeus ge s tol de s chil moet gelijk zijn aan de warmt eove rdrê,.o....,:t aan het l angs stromende gas enerzijds ,
ma a ~
ook ge lijk aan de vrijkomende warmte van
de vol gend e bo l schi l bij het stollen .
g
2 Dus 4Ti r k 2
en 4 TT R
c:I
I"':"~ f).fIj
(T
=
(1'
-<1 TI R- CX
) sm - Tg = -4
- T )
sm
_ I I r
(litt 15, p 232 )
f!:
2 0
f
dr
~dt 3m
waari n B - de af te voeren
--
warmte. Na integreren en invullen de r randvo orwaf'.rden, vinden we als conDa cttij d voor v olledig stollen : te i n d Daartoe i s het nodig de
E: sm.\ :. T)g (, 3-t' +
D .... (:8'
= ~
R
valsne~heid
~) 6k
te kennen v an de druppe l s .
We nemen aan dat deze va l sne l heid ins tantaan wotdt bereikt en da t dG snelheid van de l uchtstroom daarbij kan worden verwt',erl oosd .
,. V3
")
De v a l sne lheid volgt uit ; [ 0 · . 0 .. \ , "Ol v = 1 7t. \ "m ---=:..L. . f,' . D (li t t 16 p 69) s
'
aan de voorwaarde 10 ( Voor prils vs
I
.
Cl
Re (10 5 is hier voldaan.
m:t1e~:Vdi~;~~~;\:~~ 3 ~1 ::3~~n::n'3:em/sec. '
Daarbij beho ort een Re
1, 28 1985 en een Nu = 35 , 2
13
Hieruit laa t z i ch b e reke r: en .-/ = Nu.k iJ
V\
De , waarde v oo r k is gono ' ,er u i"; Krë "; r :' Ingevuld genomen
Ü l
v or en s taa r
wa a ~r1
Di:b
b ete k t.. ~ . "
9r .
L ;..'m Lle '/ :::;c' r d e va 1. tl j d lev e r t d l t bij een aan -
.~e
e van kv ::.: .J:'
0,00 4 cal/c ",/s8c,'~ ~
t eL
iJ
1 ,6 .\/ r::.
=
1 :;~0 .
96 . 5 , ~ ~
"'el J
Cl , 1 c . 1 0 • ~' ) -
, :;. 1 0
\ I:
i
,
-3 (.1
T
1-:-.~~~.,-~_ r_
..:, < ___ '
•1, "
do
'- ", 'l nn .,
, u,
tOI' t Jl
v'" Y1
=2,1 C sec .
:
·-- e t e .::- • ... ..........
.....
i n h +t
~'-
/'
.d.'
me ;
i. De ko e } +r. u::.··· '
a f h ankelij k van h e -'-
· ~ '-l.n t21
"
; h r '.
ce" ';' n
de verbli j f ti jd . Als b en,: : '__' ~nö Ka r .. è t va l Re ' i e v.'c r den ge st e l ':: . u it d e grafiek i n K::,ame rsi- .,
<
.8+ 'le r h<>.n c' vo e r he : t l-:t; ezj,j di e k oo Ien v al
:" _-J k t bi;
een bol tu sse. b e gi n en ge midà e là r o de gegeven t emp e ratuu r resp . 170
'. .:.lllCl
+o:dpOr 'l t Ul.:r en :.8t 0
e li
32 ,
oi ~
een
F o· ~r ierget a l .
~ e~ i ~ le l de
Voor
wandte mp eratuur
o
v a n 30 , v o l gt ,
Bij enkelz ijd i g k oe l en zal zijn, dus 2 , 30
~ pc .
,
s oc . ~
e en r o te::, ond o t r omne l d e dubbe l e t i jd nodig
Dit is ee n benaderd e waa r d e voor de c onta c ttijd. In
werkeli j kheld za l pen enke l e k orre l s l echts een
f r ~k ti e
v an zijn verb lijf-
tijd met de trommel '.. a nd in aanrak in g zijn . StellÊ\n we deze f rakti e op 0,1 dan moet de t r omm el z odanig zij n da t een gemi dd e lde v e r b li jf t i jd van de korrels van 23 se c word t ge gara ndee::,c1 ,
O~
de a f me tin gen te v er k l e i ne n k an de trommel-
wand worden v erv aardigd uit pl aat met een go lfprofiel . In - wendi g wordt de trommel v oor z i en van
ring'T ~ rm i ge
p la ten t en e in d e de h old up t e v e r groten.
VIII.Veiligh ei dsa s pe c t en. Gezien de risi co ' s b i j de verwerkin c y a n An bij ho g e te mpera tuur mo eten enige
vo o r ~üe nin gen
worden getr of f en , d i e d e v e i l i gh ei d zowe l i n de apparaiuur
a ls in de omgevin g waarb or g en . ~.
De t emp e r a tuur i n de re a ct or word t ge r e g i s tre er d met t he rm okopp e l s , die
,
op verschill en de h oog ten h i erin z i jn a ange bra ch t. Deze thermo k opp e l s rege l en teven s de tempe r a tuur pe t erzu u r .
,
v ~n
h e t t oegevoerde sal-
14. b.De zuurgraad in de reactor wordt met pIT-meter s gemeten en regelt een zodanige verhouding in de toestromende reactanten, dat de pH boven
7,5
wordt gehandhaafd. c.ln de toevoerleidingen van salpeterzuur en vloei b a a r ammoniak zijn snelafsluiters opgenomen. Deze treden in werking zodra d e druk in de reaktor buiten de grenzen 2,5 - 5,0 ata komt.
De~e
druk word t gemeten bovenin de
reactor. d.Gezorgd wo rdt vo o r een snelle afvoer toren. Deze
afv~r
v~n
de hete prils onder uit
~e
pril-
geschiedt op d iscontinue wijze, b . v . met e en emmertrans-
porteur, om bij een eventuele bran d of explosie de e x p losie-keten te on derbreken. e ,De opslagvaten v oo r salpeterzuur en Rmmoniak bevind en zich ten opzichte van de reactor en verdere apparatuur achte r een o ari cRJ e , op een afstand van minstens 50 m. f.De reactor, de cycl oo n en stripkolom iijn om go ven
~jü r
ee n wan d van gewapen
beton van 60 cm (litt 21 p 27), die minstens 60 cm h r ! '~ r is d a n d e ap p aratuur
g. De tempera tuur in de opgeslagen voorraden An wo rd. t r ';' ,;olma ti g g econtroleerd teneinde bij moge li jke zelforwarming tengevol g e ingrijpen.
V ~; j
ontl é din g snel te kunnen
15.
IX. Lit eratuur overzicht . 1. L.A. Stengel, US patent 2 . 568 .901, (25 sept. 1951) 2. J.J. Dorsey Jr, Ind. Eng. Chem. ±I,11 (1955). 3. A.S. He ster ea, Ind. Eng. Chem. ~, 622 (1954). 4. V. Sauchelli, Chemistry and Technólogy of Fertilizers, Reinhold Publishing, New York (1960) 5. V.Sauchelli, Fert i liz er Nitrogen, Reinhold Publishing, New York (1964). 6. A.V. Slack, Chemistry and Technology of Fertilizers, Interscience Publishers , New York (196 6 ). 7. Gmelin, Handbuch der Anorganische Chemie,
~.
Aufl.
~,
p 93 ev.
8. F. Rosini, Physical and Thermodynamical Properties. 9. International Critical Tables, V. lst ed. 10.Handbook of Chemistry and Physics 44th. ed. 11.G. Fei ck, J.Am. Chem. Soc.
~,
5858.
12.A.G. Keenan, J. Phys. Chem . 60, 1356. 13.Ya.I. Kil.man, Uzbeksk. Khirn. Zh. 1Q (3), 64-70 (1 966) . 14 .Mell or t s Comprehensi ve Trea tise on Inorg!',nic and Theore tical Chemistry vol. VIII, Suppl . I (1964) p 506 ev . 15.R.Gregoric , Wärmeaustaucher, Verslag H.R. Sauerländer, Aarau (1959) 16.H. Kramers, Collegediktaat Fysische
Tr~nsportverschijnselen,
Delft 1961, 17. 0ctrooiaanvrage 6606176 van 5 mei 1966 18 . Landolt Börnstein, Physikalische Chemi s ohe Tabellen, 5e Aufl. 19 .L.Phoenix , Brit. Chem. Eng . 11 p 34 (19 6G ) 20.W.L. Sibbitt, Physical propert ies of concentrated nitric acid, N.A.C.A. Technical Dote 2970 . 21.NATO unclassified document AC/106-D/5, Safety princip l es for the storage of conventional ammunition
I. I
~nd
explosives, 30 dec.1965.
Ul
! .
........ 1
J ~
.. . . ..
~
AMMONIUMI'HTRAAT VOLGENS HET STENGELPROCES
(Aanvulling op het processchema)
J . H. Koper o!g Jansen
..
, .
16.
VIII . h. De diameter van de priltoren. Als variabelen bij het prilproces onderscheiden we : 1 . de prildiameter d 2 . de diameter van de prilLop Dl. 3. de diarr,eter van de gaatjes dg
4. het aantal gaatjes ln de prillwp n 5. het toerental van de
priU~op
H
6. de wandèi.ikte van de prilkop 7. de laagdikte van de smelt ln de prilkop . We laten 6 en 7 buiten beschouwing en redeneren als volgt . Wil men een voldoende onderlinge afstand der prils krijgen dan i s het aantal prils per gat per seconde beperkt . Stellen we dit op 20 per seconde dan be rekenen we nuit:
0m = 20 . n . ~ d3(sm of n
=
1~
------------~----
20 ~ • 33.10- 9 . 1500
?
= 23 , 6 . 1 0~
gaten
Bij een afgeknotte kegel met de afmetingen bovendiameter Dk onderdiameter hoogte vinden we een manteloppervlak : Opp.
= nS(h
+ r}
= 9420 cm:t
= 35 = 25 = 50
cm cm cm
('{llo)
Het aantal gaatjes is dus te verdelen over het oppervlak met een dichtheid 2
van 2 , 5 gat / cm • De horizontale snelheid van de prils V b i j het verlaten van de prilkop betot staat uit een tangentiële component V en een radiale component V d ' ra t ang We berekenen V d uit de relaties met de diameter van de vloeistofstraal ra uit elk gaatje d • o "Ti 2 Hiervoor geldt: 0 = il>4 d o . Vra d v+y. ofwel
V
rad
10 = ------:------3 -rr 2 23,6 . 10 •
4
do . 1500
2 vrad = 3, 6 . 10 - /7/' do
Voor de relatie tussen straaldiameter d
(2a)
o
en prildiameter geldt volgens litt . 22.
, 17.
= 1,5
d d
o
Vrad'~ = We Re =
waar1n z
ingevuld met (2a) en
cr
~ = 2,0.10- 3 Ns/m2 rr = 95.10- 3 N/m e.10 -3
(6z + 2) 1/3
=
(litt.23) (litt.24) geeft:
-7 -3 )1/3 4 ( 6 ~3, 6 .10 .2,0.10 3 2 95.10- • d o 0,48.10- 3 m
1,5·3,1
Dit geeft d
o
=
Ingevuld 1n (2a) vinden we Vra d = 1,56 m/sec. Litt. 25 geeft een relatie tussen V en de andere variabelen. rad
~ .-,l-.N2.Dk.C/J 2
V rad
= 0,043 ( sm ~
waarin
I
v
(4)
2 2 dg n
in Ibs/cu. ft sm N 1n om w/min
/J
Dk C/J v
1n ft
'I
1n centipoise
1n cu. ft/min
-.
d
1n ft g V 1n ft/sec ra d We berekenen d via de contraktiefactor C g Q d 2
= -2- volgens litt. 22 1S CQ = 0,7 Q d 2
C
g
ergo d g = 0~57.10 -3m Vullen we (4) ln
.LL§. = 0,305
1500 ', 2 2 (60.10,35,3,)2 .~.N .Dk • 1500 (16.02 0,043 2,0(O~057/30 ,5) 2 (23,6.10 3 )2 _ _ _ _ _ _ _ ~_
2'
Aangenomen is Dk
.
'
4
= 2,67 .10 = 35 cm = 1,15
dan vinden we N Dk We vinden N
__'_";..;;;..;......",...._ _ }
~;o..;;
= 152 rpm = 2,52 omw/sec.
ft
1/3
(
'
• 18 •
• berekenen nu V tang
"Je
= N.l/. Dk = 2,52.3,14,0,35 = 2,77 m/sec.
Nu 18 V - (V 2 + V 2)~ tot rad tang
= 3,18
m/sec .
Op de pril werkt de wrijvingskracht welke leidt tot snelheidsafname volgens k..,r ==' Cw dv ofwel dt
Na integreren en invullen van de randvoorwaarde voor t 1 V
+ C w
==
3 ·~I·t
=0
18 V=V
tot
vinden we
4.I ,,0sm .d
We vinden hieruit V op elk tijdstip door de relatie tussen C en Re 1n w t grafiek 11-4 in litt . 16. We kunnen (5) schrijven als _1_ =
Re
+
1 \
Vtot. f l.d
1
-R = 1, 78 . 10 e-
-3
c 3.& . t ' ingevuld w l;~ .d 2 sm
(5)
3 + 11,1.10- C .t w
:' Met (5a) zijn voor elk tijdstip lijnen te trekken in grafiek 11-4 (litt . 16) De snijpunten met de relatie , C en Re geven het bijbehorende Re getal en w hieruit berekenen we V , samengevat 1n onderstaand overzicht. t t(sec . )
C w
Re
V (m/sec) t
° 0,5
0,55
560
3,18
0,89
150
1 ,0
1,35
60
°,9 0 0,36
1 ,5
2,00
25
0, 15
2,0
4,5
10
0 ,06
We vinden de afgelegde weg in horizontale zin uit de grafiek van Vt=f . t nl .
2,16
J
s==
o
Vt ·dt=2,85 m
..,
••
19 .
De diameter van de priltoren Dt
= 2S
+ D~
= 6,05
m
Samenvat tend : Priltoren : hoogte Prilkop
22,4 m
diameter
6,05m
diameter
0 , 35 m (boven)
!
hoogte
0,50 m
j!
toerental aantal gaten gatdiameter
n h ,""
,
X.,;:,\,tV:,.~~é\..- "
2,52 omw/sec. 3 23,6.10 0,57.10 -3 ,
Literatuur': . ~h (., "'7"1 l> 22. W.R. Marshall; Chem.Eng.Prog. Monograph Series , no.2 Vol.50 (1954)
23. A.I.Rabinovich ; J .A.Cs, ~, 955 (1922). ~ \4~
24. P. Rehbinder; Z.Phys .Chem, ~ , 111 (1926 )
Glb~ 25. R.P.Fraser e.a.; Br .Ch em.Eng .~, 414, 496 (1957).
