CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA. Institutionen för kemi- och bioteknik

Transkript

1 CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik KURSNAMN Grundläggande kemiteknik, KAA 46 Med förslag till lösngar av beräkngsuppgifter PROGRAM: namn åk / läsperiod EXAMINATOR Civilgenjörsprogram kemiteknik Civilgenjörsprogram kemiteknik med fysik årskurs läsperiod 3 & 4 Krister Ström TID FÖR TENTAMEN LOKAL Måndag augusti 0, kl V HJÄLPMEDEL ANSV LÄRARE: namn besöker tentamen telnr DATUM FÖR ANSLAG av resultat samt av tid och plats för granskng ÖVRIG INFORM. Valfri räknedosa/kalkylator med tömt ne. Egna anteckngar och kursmaterial är ej godkänt hjälpmedel. "Data och Diagram" av Sven-Erik Mörtstedt/Gunnar Hellsten Tabeller och Diagram av Gunnar Hellsten "Physics Handbook" av Carl Nordlg/Jonny Österman "BETA β" av Lennart Råde/Bertil Westergren Formelblad (vilket bifogats tentamenstesen) Derek Creaser ca. kl Krister Ström ca. kl Jonas Sjöblom ca. kl Svar till beräkngsuppgifter anslås augusti på studieportalens kurshemsida. Resultat på tentamen anslås tidigast september. Granskng 4 september respektive 9 september kl i searierummet forskarhus II plan. Tentamen består av teoriproblem till ca 40 % och resten beräkngsuppgifter. Åtta uppgifter totalt på tentamen. Poäng på respektive uppgift fns noterat i tentamenstesen. För godkänd tentamen fordras 50% av tentamens totalpoäng. Till genomförd tentamens totalpoäng adderas bonuspoäng som erhållits om ramen för kursens iprojekt. Dessa tillgodoräknas endast vid de tentamenstillfällen under det år studenten är förstagångsregistrerad på kursen. Samtliga diagram och bilagor skall bifogas lösngen av tentamensuppgiften. Diagram och bilagor kan ej kompletteras med vid senare tillfälle. Det är Ditt ansvar att Du besitter nödvändiga kunskaper och färdigheter. Det material som Du lämnar för rättng skall vara väl läsligt och förståeligt. Material som te uppfyller detta kommer att utelämnas vid bedömngen. Betyg p, betyg p, betyg p.

2 Uppgift En process för att tillverka perklorsyra (HClO 4 ) illustreras nedan. Reaktionen Ba(ClO 4 ) + H SO 4 BaSO 4 + HClO 4 pågår i reaktorn med 96% omsättng av H SO 4. Förhållandet mellan antal mol H SO 4 och antal mol Ba(ClO 4 ) i det komberade loppet tilll reaktorn är :.. Om det färska flödet till processen består av 90 vikt% Ba(ClO 4 ) och resten HClO 4 och återcirkulationsströmmen endast nehåller Ba(ClO 4 ), beräkna sammansättngenn (i mol%) av produktströmen som nehåller BaSO 4 och HClO 4. Givna data: Ba(ClO 4 ) HClO 4 H SO 4 BaSO 4 Molekylvikt (g mol - ) (8p) Uppgift Etylenglykol produceras från etylenoxid via den irreversibla vätskefasreaktionen CH OCH + H O CH OHCH OH I reaktionslösngen är det ett så kraftigt överskott av vatten attt man kan anta att reaktionen är pseudo-första ordng med avseende på koncentrationen av etylenoxiden. Hastighetskonstanten är vid 00ºC. Reaktionen sker i stycken 0 m 3 ideala tankreaktorer kopplade i serie. Båda reaktorer körs isotermt vid 00ºC. Det färska tillflödet nehåller kmol m -3 med etylenoxid i vatten och flödet är.5 m 3 -. a) Vilken omsättng av etylenoxid får man över reaktorerna? b) Om man ersätter de tankreaktorer med 00 stycken 0. m 3 ideala tankreaktorer skulle omsättngsgraden etylenoxid bli större eller dre än i (a)? Stöd ditt svar med sunt resonemang, beräkngar är onödiga. Datum 0-08-

3 c) Vilken enkel reaktormodell kan användas för att räkna omsättngsgraden i (b)? Förklara varför den enklare modellen bör vara någorlunda korrekt. (0p) Uppgift 3 Gasfas hydrerg av eten C H 4 + H C H 6 H R kj mol - vid 5 C när den utförs över en Ni/SiO katalysator har hastighets uttryck r k P H En tubreaktor matas med en gasström som nehåller 60 mol% eten och 40 mol% väte. Molflödeshastigheten av eten i flödet är 00 mol s -. Inflödet har en temperatur och totalt tryck av 6 C och 3 atm. a) Om reaktorn kan anses arbeta vid konstant tryck och temperatur och med pluggflöde, beräkna den reaktorvolym som krävs för att nå 60% omsättng av eten. b) Om reaktorn anses arbeta bara vid konstant tryck men adiabatisk, beräkna utlopp temperatur för 60% omsättng av eten. Givna data: k 9. mol s - m -3 atm - at 6 C Medelvärmekapaciteter för tillämpliga temperaturtervall: J mol - K - C H 4 55 C H 6 69 H 9 (8p) Uppgift 4 En vätskefasreaktion genomförs i en tankreaktor vid ett tryck väsentligt högre än 760 mmhg. Vid reaktionen bildas en bär blandng av metylcyklopentan och toluen som separeras i en destillationskolonn utrustad med totalkondensor och återkokare. Separtionen genomförs vid totaltrycket 760 mmhg och kolonnen arbetar vid ett återflödesförhållande som är.5r. Från reaktorn förs 00 kmol/h mättad kokvarm vätska hållande 56 mol-% metylcyklopentan. Under transporten i rörledngen mellan reaktor och destillationskolonn sänks trycket successivt till 760 mmhg så att tillflödet till destillationskolonnen är en blandng av ånga och vätska. Denna ångvätskeblandng har man funnit har temperaturen 87.8ºC. Rörledng kan antas vara så lång att ångan och vätskan befner sig i fasjämvikt Datum

4 då strömmen påföres destillationskolonnen. a) Hur stor är ångandelen då strömmen påföres destillationskolonnen? b) Hur stora produktströmmarerhålls från destillationskolonnen om man önskar en topprodukt som håller 90 mol-% metylcyklopentan samt 96 mol-% toluen i bottenprodukten? Har du te kunnat lösa deluppgift a antag då att ångandelen är 60%! c) Hur många ideala jämviktssteg fordras för att erhålla produkterna? d) Hur skulle värmebehovet förändras i återkokaren om tillflödet hade varit kokvarm vätska vid 760 mmhg? Ange den procentuella förändrgen! Givna data: Antoes ekvation: log P 0 i A i Bi C + t i Antoekonstanter: A B C Metylcyklopentan Toluen Antoekonstanterna gäller för enheterna mmhg och ºC! Jämviktsdiagram för systemet metylcyklopentan/toluen bifogas. Systemet kan betraktas som idealt. (p) Uppgift 5 Komponentbalanser kan representeras med räta ljer i ett jämviktsdiagram för en förångngs-kondensationsprocess! a) Vilka är förutsättngarna för att komponentbalansen kan representeras med en rät lje för en destillationsprocess? b) Hur är driftljen riktad i förhållande till jämviktskurvan då partialförångng sker i ett steg? c) Hur är driftljen riktad i förhållande till jämviktskurvan då förångng sker i motström? d) Hur är driftljen riktad i förhållande till jämviktskurvan då vi har en avdrivarkolonn utrustad med återkokare? Besvara deluppgifterna b) c) och d) genom de skisser som fns i bilaga! Glöm te att bifoga bilagan till tentamen! Datum (5p) 4

5 Uppgift 6 a) Hur kan kapaciteten ökas hos en beftlig sedimentationstank? b) Vilka faktorer påverkar höjd-tid-kurvans utseende för ett sedimentationsförlopp? c) Vad händer med en destillationskolonns höjd resp. diameter om yttre återflödesförhållandet tredubblas? (5p) Uppgift 7 En medströms värmeväxlare kyler,0 kg/s olja från 0 C till 50 C med havsvatten (loppstemperatur 0 C, flöde5,5kg/s). Värmegenomgångstalet är 800 W/m /K och cp för oljan är,88 kj/kg/k och cp för havsvatten antas samma som för vanligt vatten (4,8kJ/kg/K). a) Till vilken temperatur värms kylvattnet? Efter en tid förloras prestanda pga påväxt (havstulpaner och annat) varvid oljan endast kyls till 55 C. (Anta att kylvattenflödet är konstant) b) Om man byter plats på oljans anslutngar (och därmed skapar en motströmsvärmeväxlare), återfås effekten då (dvs kyls oljan till 50 C eller lägre?)? Motivera med beräkngar! (7p) Uppgift 8 Vätska skall pumpas mellan en öppen behållare och en trycksatt behållare genom ett rörsystem. Vätskeytan i båda behållarna skall hållas på samma nivå. a) Hur ser systemkurvan ut i prcip? Skissa och motivera kurvans utseende! b) Vad händer med systemkurvan om en ventil i rörsystemet stängs delvis? Skissa och motivera! c) Om man skall välja en pump med fast varvtal som levererar ung. samma flöde oberoende av ventilens läge, vilken typ av pump skall man då välja? Motivera varför! (5p) Göteborg Krister Ström Derek Creaser Jonas Sjöblom Datum

6 Formelblad Grundläggande kemiteknik Reaktionsteknik Omsättngsgraden: N A N 0 A X A (satsreaktor) N X F A0 F A0 A A (kontuerlig reaktor) FA 0 Arrhenius ekvation: EA k Aexp RT E och ( ) ( )exp A k T k T ( ) R T T Energiteknik Värmeväxlare: T lm T T T ln T C exp NTU Cmax ε C C exp NTU Cmax Cmax (motström) C exp NTU + C ε C + C max max (medström) UA NTU C Datum

7 Temperaturverkngsgrad för motströmsvämeväxlare,4 stråk (pass) på tubsidan Y T Y T C H T T C C Y Tryckförlust i rörledngar: p f l λ d c ρ Datum

8 p f ζ c ρ Separationsteknik Antoes ekvation: log o ( P ) i A i Bi t + C i Wilsonuttrycket för beräkng av aktivitetsfaktor för bärt system: lnγ ln ( x + Λ x ) + x x Λ + Λ x Λ Λ x + x lnγ ln Λ ( x ) + Λ x x x + Λ x Λ x + x Λ Relativ flyktighet: α, där y x y x x anger vätskefassammansättng y anger ångfassammansättng anger lättflyktig komponent anger tung komponent Bär destillation: Materialbalanser: n D, x D D, x D Vyn+ Lxn + DxD F, x F F, x F n+ V ym+ L xm BxB m m+ B, x B W, x W q-lje: q y - q x x + F q Datum

9 Metylcyklopentan/Toluen 0,9 0,8 0,7 Molbråk ångfas 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0 0 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Molbråk vätskefas Datum

10 Bilaga Deluppgift b Deluppgift c Deluppgift d Anonym kod: Sid nr: Datum

11 Uppgift Reaction: Ba(ClO 4 ) + H SO 4 BaSO 4 + HClO 4 A + B C + D Process with labeled streams: The molar composition of stream 4 should be detered. First detere the molar composition of stream 6, sce later we will work with moles. If we have 00 kg of stream 6, it consists of 90 kg A and 0 kg D. 90 kg A kmol A kmol A 336. kg A 0 kg D kmol D kmol D 00.5 kg D Then total ( ) kmol of stream 6. The molar composition of stream 6 is then 7.9 mol% A and 7. mol% D. Basis: 00 mol/s B stream 00 mol/s, then from the given molar ratio of B and A combed reactor feed mol/s Balance for B over reactor: () 96% conversion of B over reactor: 0.96 () Combg () and (): mol/s Balances for other components over the reactor: 4 mol/s 96 mol/s (3) Balance for A over the separator: 4 mol/s Balances over the mix pot (streams 6 and 5 become stream ): 96 mol/s mol/s. Returng to (3) above: 7.7 mol/s 96 mol/s 33.7 mol/ /s Datum 0-08-

12 Then stream 4 is 70.3 mol% D (HClO 4 ) and 9.7 mol% C (BaSO 4 ). Uppgift Reaction: CH OCH + H O CH OHCH OH (A) The reactor system: C A0 kmol m -3 X A? 3 - q.5 m For this liquid phase system density variation can be neglected thus: Volumetric flow is dependent of conversion, i.e. q q 0 Mole balance for st ideal tank: Mole balance for nd ideal tank: V 0 m 3 V 0 m (a) Conversion of ethyleneoxide over the tank reactors is 80.4% (b) If the tank reactors are replaced with 00 tank reactors with volume 0. m 3, the total reactor volume will be the same. The plot below compares the concentration profile (versus volume) for tank reactors versus tube reactor. For a tube reactor the concentration drops more gradually over the volume which means the average concentration is higher over the volume compared to a sgle tank or even a series of tank reactors. The on average higher concentration leads also to a higher reaction rate (for st order reaction) and means that a higher conversion is achieved with a tube reactor compared to tank reactors. When the tank reactors are divided up to more tank reactors ( this case 00) the concentration profile for more tank reactors will approach that of the tube Datum 0-08-

13 reactor. This results a higher conversion beg achieved for 00 tank reactors series. (c) For 00 tank reactors series the concentration profile will be very close to that for a tube reactor and thus the use of the tube reactor model could be used to give a rather good prediction of the conversion achieved with 00 tank reactors. C A0 tube C A tanks 0 m 3 V 0 m 3 Uppgift 3 Reaction: C H 4 + H C H 6 (B) (A) (C) At 6 C 9. mol s - m -3 atm - F B0 00 mol s - X B 0.6 V? o T 6 C 435K P tot 3 atm Feed gas stream 60 mol% C H 4 and 40 mol% H, then y B0 0.6 and y A mol s - Use stoichiometric table to obta : F B F B0 X B F B0 F A F A0 X B F B0 F C X B F B0 F tot F A0 + F B0 X B F B0 Mole balance for B: Datum

14 mol s m 3 atm V m 3 s 9. mol 3 atm Note, tegral can be calculated analytically from an tegral table, but otherwise numerically. (a) Required reactor volume for isothermal plug flow is m 3 Calculate outlet molar flow rates: 40 mol s mol s - 60 mol s - General adiabatic heat balance: 0 Let reference temperature ( ) be 5 C, sce the reaction enthalpy is given at that temperature. Also, shall use average constant heat capacities. Heat balance then becomes: C (b) Outlet temperature for adiabatic operation of reactor is 433 C Datum

15 Uppgift 4 Data: P 760 mmhg R.5R F 00 kmol/h z 0.56 t tillflöde 87.8 ºC Ångtryck givet som Antoeekvation Sökt a) Ångandel b) D, B c) Antal steg d) Förändrg av värmebehov Lösng: q a) Ångandelen kan bestämmas utifrån q-ljens lutng. q Bestäm jämviktssammansättngen för ång-vätskeströmmen som påförs kolonnen. Jämviktssamband: Partialtryck: o Pi y i xi P o Py P x i i i o o P Pi P P x + P x o P P () och () ger x o o P P () x x () y o P x P Vid temperaturen 87.8ºC är ångtrycken Vilket ger x och y P o P o.47 mmhg mmhg q-ljen konstrueras från diagonalen med x-koordaten 0.56 (z ) till x y på jämviktskurvan. q-ljen är då konstruerad och lutngen kan bestämmas till. 673 vilket ger q-värdet q-värdet motsvarar vätskeandelen varför ångandelen blir dvs 37%. Datum

16 b) F D + B Fz Dx x x D B D Bx B z D F x B x x D 39.5 B 60.5 D D kmol / h kmol / h c) Övre driftljen vid imalt återflödesförhållande R xd yn + xn + R + R + Φ Φ R x D R R 0.9 Övre driftljen skär y-axeln i punkten Driftljer konstrueras. Stegng ger 8 ideala steg samt återkokare. d) Värmebehovet kan tecknas Q V HVAP. Sök V för de båda alternativen! Fall : V D + L R L / D V V D( R + ) kmol / h V V V FALL, FALL, + ( q) F kmol / h Fall : q-ljen lodrät Φ 0. 6 R R V 66.6 kmol / h V V ty kokvarmt tillflöde V FALL 66.6 kmol / h, V V FALL, FALL, 74% Datum

17 Uppgift 7 En medströms värmeväxlare kyler,0 kg/s olja från 0 C till 50 C med havsvatten (loppstemperatur 0 C, flöde5,5kg/s). Värmegenomgångstalet är 800 W/m /K och cp för oljan är,88 kj/kg/k och cp för havsvatten antas samma som för vanligt vatten (4,8kJ/kg/K). c) Till vilken temperatur värms kylvattnet? Efter en tid förloras prestanda pga påväxt (havstulpaner och annat) varvid oljan endast kyls till 55 C. (Anta att kylvattenflödet är konstant) d) Om man byter plats på oljans anslutngar (och därmed skapar en motströmsvärmeväxlare), återfås effekten då (dvs kyls oljan till 50 C eller lägre?)? Lösng: a) För att beräkna temperaturen ut så måste vi beräkna den överförda effekten som är densamma som den avgivna effekten. Q Q mc & P ( Tvar m, Tvar m, ut ) *,88*(0 50) kw mc & T T ) T T + Q /( mc ) /(5,5* 4,8), 45 C avgiven 63 upptagen P ( & kall, ut kall, kall, ut kall, P b) För att undersöka om platsbytet fungerar behövs kompletterande fo om värmeväxlaren. Arean: För att beräkna arean behövs den logaritmiska medeltemperaturdifferensen: ( Tvar m, Tkall, ) ( Tvar m, ut Tkall, ut ) (0 0) (50,45) TLM ( obs! medström) 60, 4 C T m T 0 0 var, kall, ln ln T m ut T kall ut 50,45 var,, Q 63 Q UA T A 5,45m LM U TLM 0,8*60,4 T kall, ut,ny pss som i uppgift a) ovan: T kall,ut,ny 0,63 C Q ändras också och blir 44kw T lm ändras också och blir 65,0 C För fallet med påväxt har U ändrats och vi behöver beräkna det nya U (Arean är dock samma): Qny 44 U ny 690W / m / K A* T 5,45*65,0 LM, ny Med det nya U kan vi nu beräkna ut-temperaturerna för ett fall med motströmsvärmeväxlg. Vi har kända -temperaturer och använder NTU-metoden. Cvar m& m var mcp,var m *,88 3,76kW / K UA 690*5,45 NTU Ckall m& kallcp, kall 5,5* 4,8,99kW / K,0 C 3760 var, / max 0,6 C C m C C Effctiveness factor (eps) läses av i diagram (eller beräknas) till 0,6 verklig temperaturändrg Tvar m, Tvar m, ut ε maximal temperaturändrg T T T var m, ut T var m, ε ( T var m, T kall, var m, kall, ) 0 0,6*(0 0) 5,9 C Datum

18 Temperaturen ut på den varma strömmen är högre än från början (50 C) och alltså återfås te effekten efter platsbytet. Datum