Process Flow Diagram Proposto

Transcript

1 Impianto Purificazione Percolato contenente Ammoniaca L acqua presente sul fondo di una discarica dopo opportuni trattamenti di filtrazione contiene spesso solo Ammoniaca che può essere utilizzata per produrre Solfato Ammonico. Nel sotto riportato PFD viene proposto uno processo costituito da uno stripper in cui viene riciclata dell Aria in uscita da uno Scrubber che assorbe l ammoniaca mediante una soluzione Acquosa contenente Acido Solforico in cui si produce Solfato Biammonico mentre dallo stripper esce percolato purificato (praticamente Acqua con basso contenuto di ammoniaca). Process Flow Diagram Proposto SIGLA DESCRIZIONE C-1 Colonna Stripping Ammoniaca C-2 Colonna Reazione (NH3)2 + H2SO4 = (NH4)2SO4 E-1 Scambiatore PreRiscaldamento Percolato E-2 Scambiatore Riscaldamento Finale Percolato P-1 Pompa invio Percolato alla Colonna di Stripping NH3 P-2 Pompa invio Percolato al Preriscaldamento Percolato in Preavviamento Impianto P-3 Pompa Circolazione Acido Solforico + Acqua nella Colonna C-2 P-4 Pompa invio a Stoccaggio (NH4)2SO4 Prodotto SR-1 Serbatoio per aggiunta Soda V-1 Soffiante Circolazione Aria tra Reattore Scrubber e Stripper TIC-1 Strumento controllo Temperatura T-1 L Iniezione di Soda Caustica in SR-1 serve per poter effettuare l0 Nota Stripping di Ammoniaca.

2 STRIPPER / SCRUBBER: Valori Assunti Portata Percolato entrata Stripper = 8 m 3 /h (8000 Kg/h) Contenuto NH 3 nel Percolato entrata Stripper 7000 mg/litro NH 3 Totale entrata Stripper = / = 56 Kg/h Contenuto NH 3 nel Percolato Uscita Stripper 1500 mg/litro Totale NH 3 da rimuovere dal Percolato nello Stripper = = 8000 ( )/ = 44 Kg/h Rendimento Abbattimento NH 3 nello Stripper = (44/56) 100 = 78,5714% Calcoli Scrubber Portata Aria Umida in arrivo dallo Stripper allo Scrubber e che ritorna a 60 C dallo Scrubber allo Stripper = m 3 /h. Tensione di vapore dell Acqua a 60 C = 0,197 ATA ass. Quantitativo di Aria Secca + Ammoniaca circolante nel sistema Stripper Scrubber = (1-0,197) = 9636 m 3 /h. Quantitativo di Ammoniaca presente nell Aria in arrivo allo Scrubber dallo Stripper = [(44/17) 22,4] [(273+60)/273] = 70,718 m 3 /h Pressione Parziale NH 3 in arrivo allo Scrubber = 70,718/( ,718) = = 0, Kg/cm 2 ( ) Quantitativo di Acqua = ,197 = 2364 m 3 /h Verifica Quantitativo di Aria = ,718 = 9566,282 m 3 /h Questi ultimi 3 dati sono riportati solo per indicare il modo come calcolare la composizione completa del Gas che circola tra lo Stripper e lo Scrubber; dati che sarebbero utilizzabili per il calcolo il Diametro dello Stripper e dello Scrubber. Nel seguito per il calcolo del Diametro e del coefficiente di Trasporto dello Stripper e dello Scrubber i m 3 /h verranno considerati costituiti da sola aria per il calcolo della densità della Viscosità. Calcolo del Diametro dello Scrubber Materiale Anelli PALL da 2 a = 105 m 2 /m 3 ; є = 0,91; Pb = 102 m/m 2 ; Dp = 73,6 mm; F = 82 Portata Aria = [( /333)] 28,8 = Kg/h Portata NH 3 = 44 Kg/h a T = 60 C Portata totale Gas entrata Scrubber = = Kg/h Portata Liquido Circolante ad avviamento (Acido Solforico circa 20% + Acqua 80%) = 40 m 3 /h = ,046 = Kg/h. Densità Aria + Ammoniaca entrata = 12693/12000 = 1,057 Kg/m 3. Densità Acido Solforico Circolante ad avviamento (Acido Solforico circa 20% + Acqua 80%) = 1048 Kg/m 3. X = 41840/12693/ (1,057/1048) 0,5 = 0,105; y = 0,038 Viscosità Acido Solforico al 20% in Acqua = 2 cp. Amin = [[12693 ((82/0,038) (2 01 /1,057)) 0,5 ]/( ) = 1,59 m 2.

3 Diametro minimo di calcolo = 1425 mm Diametro installato 2400 mm Area effettiva colonna = 4,254 m 2. Bagnatura Riempimento su Area effettiva installata = 40/(4, ) = = 0,092 >> 0,03. La portata di Riciclo può essere ridotta sino a 14 m 3 /h. Calcolo Altezza Riempimento Scrubber con Anelli PALL Plastica 2 G = 12693/4,524 = 2806 kg)m 2 h Diffusività Ammoniaca in Aria a 60 C = 0,103 m 2 /h KG = 1,15 [(1-0,91)/0,0736)] 0,103 1,057 [(2806 0,0736)/(0,09 0,072)] 0,64 [0,072/(1,057 0,103)]1/3 = = 57,27 Kg/(m 2 h Kg/cm 2 ) Forza Motrice Fondo Scrubber = 0, Vedere Pagina-1 ( ) Forza Motrice Uscita Scrubber Si procede per tentativi assumendo una Pressione della NH 3 in uscita dallo Scrubber inferiore alla tensione di Vapore della NH 3 presente nel Percolato in uscita dallo Stripper e verificando che sia verificata l altezza dl riempimento previsto sia per lo Scrubber che per lo Stripper. Come 1 tentativo assumiamo che la pressione dell a NH 3 in uscita dallo Scrubber sia la metà della tensione di vapore della NH 3 nel Percolato in uscita dalla Stripper. Calcoliamo la tensione di vapore della NH 3 nel Percolato uscente dallo Stripper attraverso la costante di Henry (vedere Diagrammi allegati alla Relazione). Per applicare la Costante di Henry [Kmoli NH 3 /m 3 di Acqua mmhg] = 0,0165 calcoliamo: Kmoli NH 3 /m 3 di Acqua(Percolato) = (12/17)/8 = 0,0882 da cui si ricava: mmhg = 0,0882/0,0165 = 5,345 mmhg = 0, Kg/cm 2. Pressione NH 3 uscita Scrubber = 0,000703/2 = 0, Kg/cm 2. Forza Motrice Uscita Scrubber = 0, Kg/cm 2 Forza Motrice Fondo Scrubber = 0, Kg/cm 2 Forza Motrice Media = (0, , )/ln(0, /0, ) = 0, /2,915 = 0, Kg/cm 2 HT = /(4,524 57, ,001874) = 44000/50,98 = 863 mm Adottando Anelli Pall in Plastica da 1 l Altezza di Riempimento dello Scrubber si può ridurre a circa la metà. Calcolo Altezza Riempimento Stripper con Anelli PALL Plastica 2 KG = 1,15 [(1-0,91)/0,0736)] 0,103 1,057 [(2806 0,0736)/(0,09 0,072)] 0,64 [0,072/(1,057 0,103)] 1/3 = = 57,27 Kg/(m 2 h Kg/cm 2 ) Il KG dello Stripper è diverso da quello dello Scrubber solo per l eventuale influenza della Bagnatura dato che le due colonne oltre ad avere lo stesso diametro hanno, la stessa portata di gas e lo stesso materiale di riempimento.

4 Forza Motrice Fondo Stripper La Forza motrice fondo Stripper ha lo stesso valore della Forza motrice uscita Scrubber e quindi vale 0, Kg/cm 2. Forza Motrice testa Stripper: Calcoliamo la tensione di vapore della NH 3 nel percolato entrante allo Stripper attraverso la costante di Henry (vedere Diagrammi allegati alla Relazione). Per applicare la Costante di Henry [Kmoli NH 3 /m 3 di Acqua mmhg] = 0,0165 calcoliamo: Kmoli NH 3 /m 3 di Acqua(Percolato entrata stripper) = = (56/17)/8 = 0,4118 da cui si ricava: mmhg = 0,4118/0,0165 = 24,96 mmhg = 0,0328 Kg/cm 2. Calcoliamo la pressione parziale della NH 3 in uscita testa Stripper: Ammoniaca Entrata Stripper in m 3 /h = Pressione NH 3 uscita Scrubber moltiplicata Portata Gas Circolante = = 0, = 4,218 m 3 /h a 60 C = = [[4,218 (273/333)]/22,4] 17 = 2,624 Kg/h Ammoniaca totale uscita testa Stripper 44+2,624 = 46,264 Kg/h = = (46,264/17) 22,4 (333/273) = 74,357 m 3 /h, Pressione Parziale NH 3 in uscita Stripper = 74,357/( ,357) = = 0, Kg/cm 2 << 0,0328 Kg/cm 2 Tensione di Vapore NH 3 nel Percolato ingresso Stripper Forza Motrice Testa Stripper = 0,0328-0, = 0, Kg/cm 2 Forza Motrice Media Stripper = Bagnatura = (0, , )/ln(0,026642/0, ) = = 0, /4,328 = 0,0060 Kg/cm 2 Riempimento su Area effettiva installata = 8/(4, ) = = 0,0173 < 0,03 Fattore di Riduzione KG = 0,65 HT = [ /(4,524 57, ,0060)]/0,65 = (44000/163,226)/0,65 = = 269,65/0,65 = 414,85 mm Considerazioni sulla Gestione di Marcia Impianto E consigliato marciare con procedura Batch dato che l impianto presenterebbe delle difficoltà strumentali per una marcia in continuo. E opportuno effettuare delle marce diurne di durata di circa 8 ore. Nell Impianto deve avvenire la reazione Stechiometrica in presenza di Acqua (NH 3 ) 2 + H 2 SO 4 = (NH 4 ) 2 SO 4 L Acqua e l Acido Solforico vanno caricati nel serbatoio di reazione (Scrubber) in modo da ottenere, a fine reazione, il solo Solfato Biammonico mediante insuflaggio progressivo di Ammoniaca nello Scrubber. L ammoniaca da insufflare viene ottenuta mediante lo Stripping di Percolato ammoniacale da Discarica.

5 L impianto è costituito essenzialmente da: Una colonna di Stripping, da una Soffiante che circola l aria allo Stripper e da questa allo Scrubber in cui l ammoniaca contenuta nell aria uscente dallo Stripper che reagisce con l Acido Solforico viene ricircolato dal fondo alla testa dello Scrubber mediante una pompa. E prevista la presenza di uno scambiatore di calore per mantenere a 60 C il funzionamento dello Stripper e dello Scru bber. Quando l Acido Solforico caricato inizialmente con il quantitativo di Acqua raggiunge il valore a cui si vuole associarlo per la vendita o l utilizzo si ferma la marcia dell impianto in base al valore del ph raggiunto nel fondo dello Stripper. Ai sensi del D,Lgs.217del 29/aprile/2006 il Solfato Ammonico può essere Liberamente Commercializzato a titolo Minimo del 6% di Azoto in peso per uso Agronomico. E possibile produrre nell Impianto soluzioni di Solfato Ammonico anche a concentrazione maggiore del 6% sino ad avvicinarsi alla saturazione alla temperatura di marcia impostata (Vedere Tabella Solubilità Solfato Ammonico in Acqua). Calcolo della Quantità Giornaliera di Acqua ed Acido Solforico da caricare nel fondo dello Scrubber per produrre una soluzione acquosa di Solfato Ammonico al 6% di contenuto di Azoto partendo da Ammonica. Reazione di formazione Solfato Ammonico 2 NH 3 + H 2 SO 4 = (NH 4 ) 2 SO 4 Peso Molecolare NH 3 = 17 Kg/Kmole Peso Molecolare H 2 SO 4 = 98,066 Peso Molecolare (NH 3 ) 2 SO 4 = 132,066 Quantitativo giornaliero di Percolato da trattare = 50 m 3. Ammoniaca giornaliera da trattare nello Scrubber = = ( / ) = 275 Kg/giorno = 16,176 Kmoli/giorno Kmoli di H 2 SO 4 /giorno = 16,176/2 = 8,088 Kmoli/giorno Kmoli di Azoto/giorno sotto forma di (NH 4 ) 2 SO 4 = = (16,176/17) 14 = 13,3214 Kmoli/giorno. Quantitativo di Acqua da caricare nel fondo dello Scrubber per Marcia Batch giornaliera per avere un contenuto del 6% di Azoto in peso nel Solfato ammonico prodotto = 13, /6 = 3108,827 Kg/giorno di Acqua. Quantitativo di Acido Solforico al 100 per 100 in peso da caricare nel fondo colonna Scrubber per marcia giornaliera = (16,176/2) 98,066 =

6 = 793,16 Kg/giorno. Concentrazione iniziale di Acido Solforico 100% nel fondo colonna Scrubber = [793,16/(793, ,327)] 100 = 20,23% peso. Kmoli di (NH4) 2 SO 4 /giorno = 16,176/2 = 8,088 Kmoli/giorno Solfato Ammonico Prodotto = 8, ,066 = 1068,15 Kg/giorno, Concentrazione finale di Solfato Ammonico presente nel fondo colonna Scrubber = 1068,15 (3108, ,15) )] 100 = 25,57% Solubilità a 60 C Solfato Ammonico in Acqua (Vede re Tabella) = = [88/(88+100)] 100 = 46,88% >> 25,57 OK Bilancio Termico La produzione del Solfato Ammonico avviene con sviluppo di calore Il bilancio Termico serve per verificare la potenzialità che deve avere la caldaia per mantenere in temperatura a 60 C il Sist ema di Reazione tenendo conto della temperatura di entrata del Percolato da purificare (25 C) e della temperatura del Percolato purificato in uscita. Per la Marcia con 8 metri cubi/h di Percolato da purificare a cui è stato impostato il dimensionamento dell Impianto il calore per portare il Percolato entrante a 25 C sino alla temperatura di marcia del sistema di 60 C è pari a 8000 (60-25) = Kcal/h a cui va nno sottratti il calore di reazione della produzione di 170,9 Kg/h di Solfato Ammonico pari a 170,9 220 = Kcal/h da cui si ricava che il calore da recuperare nello scambiatore E-1 (vedere allegato PFD) essere pari a = = Kcal/h che equivale ad una temperatura di uscita del Percolato da trattare di /8000 = 50,3 C. Praticame nte impostando il riscaldamento in E-1 sino a 50,3 C la caldaia di pr oduzione dell acqua calda a 85 C potrebbe essere initulizzata. Assumendo un preriscaldamento del percolato da purificare da 25 a 40 C il calore da fornire con la Caldaia si riduce a ,3 = Kcal/h. Superficie di scambio scambiatore = ( )/(500 10,3) = 23,3 m 2.

7 DATI RIEMPIMENTI COLONNE Evidenziati Anelli Pall Adottati

8 CURVA DI ECKERT + FLOODING

9 FASE GAS CONTROLLANTE Per Dp,ε, a, P b = Vedere Colonne a Riempimento Diametro + Internals Per Diffusività Gas vedere Cartella Diffusività Liquidi&Gas

10

11 Solubilità Solfato Biammonico in Acqua Dal Perry Terza Edizione

12