Separationsteknik / Separation processes Demo övningar / Demo exercises 2 / R Erlund

Transkript

1 Separationsteknik / Separation processes Demo övningar / Demo exercises 2 / R Erlund ska behandla / will go through 3,4,5,7 1. Ett fyllkroppstorn packat med Raschig ringar (keramik, d=4 mm) används för att strippa etanol ifrån en vattenström med en luftström, och minska vattnets etanolkoncentration från 1 % mol till,1 % mol vid 2 C, 1 bar tryck. Vattenströmmen L = 4 mol/s, luftströmmen V = 6 mol/s. Molmassa för luften är M G = 29 kg/kmol. Jämviktskoefficienten för etanol för luft/vatten vid 2 C är K = 9. Totala massöverföreningskoefficienten beaktad från gassidan är k oy = 1 2 m/s. Sambandet mellan packningens packing factor F p (1/m), tomrumsfraktion ( voidage ) ε ( ), och specifika kontaktytan a (m 2 /m 3 ) är F p = a (1 ε)/ε 3, och ε =,7. Bifogade diagrammen ger F p för Raschig ringar, och det s.k. load diagram för fyllkroppstorn med Rashig ringar. ρ L = 1 kg/m 3 och ρ G = 1,2 kg/m 3 är densitet för vätskan och gas, v G är gasens hastighet (m/s) (ytlig, dvs för tornet utan packning), g är tyngdkraften (9,8 m/s 2 ), och Q L och Q G är volymströmmar för vätska och gas (m 3 /s). a. Bestäm packningsfaktorn F p (1/m), och beräkna specifik kontaktytan a (m 2 /m 3 ) och, via Q L och Q G, beräkna gasens hastighet v G (m/s). b. Beräkna separationsfaktorn S ( ) och, med hjälp av Kremsers ekvation, antalet teoretiska överföringsenheter N th ( ). c. För v G =,7 [v G beräknad under a.], beräkna: totala överföringshöjden hänförd till gassidan HTU og (eller H og ) (m), höjden HETP (m), tornets packningshöjden (m) och tornets diameter D (m). d. Om keramikmaterialets densitet är 175 kg/m 3, vad är packningens vikt (kg)?

2 Man är tvungen att övergå till användningen av Raschig ringar av metall av samma storlek. e. Vad betyder ändringen för tornets kapacitet, dvs kan man fortsätta med strömmarna L och V som tidigare med keramisk packning? f. Vad betyder ändringen för massöverföringsprocessen? A packed column filled with Raschig rings (ceramic, d = 4 mm) is used for stripping ethanol from a water stream with a stream of air, lowering the ethanol concentration in the water from 1% mol to.1 % mol at 2 C, 1 bar pressure. The water stream L = 4 mol/s, the air flow V = 6 mol/s. Molar mass of air is M G = 29 kg/kmol. The equilibrium coefficient for air ethanol / water at 2 C is K = 9. The overall mass transfer coefficient taken from the gas side is k oy = 1 2 m/s. The relation between the packing factor" F p (1/m), void fraction (voidage) ε ( ), and the specific contact area A (m 2 /m 3 ) is F p = a (1 ε)/ε 3, and ε =.7. The attached (see previous page) charts give F p for Raschig rings, and the so called "load diagram" for packed column towers with Raschig rings. Density ρ L = 1 kg/m 3 and ρ G = 1.2 kg/m 3 for the liquid and gas, respectively, v G is the gas velocity (m/s) (superficial, i.e. for the column without packing ), g is gravity (9.8 m/s 2 ), and Q L and Q G are the volume flows of liquid and gas (m 3 /s), respectively. a. Determine the packing factor F p (1/m) and calculate the specific surface a (m2/m3) and, using Q L and Q G, calculate the gas flow velocity v G (m/s). ( b. Calculate the separationfactor S ( ) and, using Kremsers equation, the number of theoretical transfer units, N th. c. For v G =.7 [v G calculated under a.], calculate: 1) the total height of a transfer unit on the gas side HTU og (or H og ) (m), height HETP (m), 3) packing height (m) and 4) column diameter D (m). d. If the density of the packing material is 175 kg/m3, what is the mass of the packing (kg). It is necessary to switch to the use of metal Rashig rings of the same size. e. What does this change mean for the capacity of the column; i.e. is it possible to continue with the same flows L and V as earlier with the ceramic packing? f. What does this change mean for the mass transfer process? 2. I ett med motström opererande torn, vid 27 C och 11 kpa, som är packat med Raschig ringar (F p = 158 m 1 ), planerar man att minska acetonhalten från x 1 =,6 mol % till x =,1 mol % hos en 1,5 kg/s stor vattenström med hjälp av,92 kg/s luft, som från början är acetonfri, dvs y =. a. Beräkna storleken för gasströmmen ṅ G (eller V) och vätskeströmmen ṅ L (eller L) i mol/s, beräkna den överförda massaströmmen aceton ṅ A (i mol/s), och beräkna acetonhalten y 1 (i mol %) i luftströmmen från kolonnen. b. Beräkna erforderlig torntvärarea A tv (m 2 ) beaktande att gasens strömningshastighet skall vara 6% av det värde, som motsvarar gränsen för översvämning.

3 c. Beräkna antalet överföringsenheter hänfört till gassidan, NTU og. Obs: HTU og / HTU ol = NTU ol / NTU og = S med separationsfaktorn S = L/(K V) = ṅ G / (K ṅ L ) d. För HETP (height equivalent to a theoretical plate),6 m, beräkna höjden för packningen. Vid 27 C är diffusionskoefficienten för aceton luft 9,4 1 6 m 2 /s och för aceton vatten 1, m 2 /s. Vattnets densitet är 996 kg/m 3 ; gasens densitet är 1,15 kg/m 3. Den dynamiska viskositeten är för vatten,8 Pa s och för luft 18,6 1 6 Pa s. För ifrågavarande halter aceton kan antagas att Henry s lag gäller och att y A = 2,53 x A vid 11 kpa. kursmaterial 5.3 : G G och c G G G ln G, HTU eller og NTU og y och ln med In a counter current packed column separator, operating at 27 C and 11 kpa, packed with Raschig rings (F p = 158 m 1 ) it is planned to lower the concentration of acetone in a 1,5 kg/s water flow from,6 mol % to,1 mol %, using an acetone free air stream of,92 kg/s. a. Calculate the sizes of the gas flow ṅ G (or V) and liquid flow ṅ L (or L) in mol/s, calculate the mass transfer rate for the acetone ṅ A (in mol/s), and calculate the acetone content y 1, (in mol %) in the gas stream from the column. b. Calculate the cross section A cs (m 2 ) for this column noting that the gas velocity shall be 6% of the velocity that gives flooding. c. Calculate the number of transfer units considered from the gas side, NTU og. Note: HTU og / HTU ol = NTU ol / NTU og = S with separation factor S = L/(K V = ṅ G / (K ṅ L ) d. For HETP ((height equivalent to a theoretical plate),6 m, calculate the height for the packing. At 27 C the diffusion coefficient for acetone air is 9,4 1 6 m 2 /s and for acetone water it is 1, m 2 /s. The densities for water and air are 996 kg/m 3 and 1,15 kg/m 3, respectively. The dynamic viscosity for water and air are,8 Pa s and 18,6 1 6 Pa s, respectively. For the given concentrations of acetone Henry s Law may be assumed to apply, as y A = 2,53 x A at 11 kpa. course material 5.3 G G och : c G G G ln G, or HTU og NTU og och y ln with

4 3. En CO 2 gasström som uppkommer vid produktion av etanol via fermentering innehåller 1% mol etanol ånga. Denna etanol skall avlägsnas genom absorption i flytande vatten vid 4ºC, 1 bar, i en packad kolonn. Vatten som innehåller,1% mol etanol matas in som sorbent och återvinningen av etanol från CO 2 strömmen ska vara 98%. Vätskan matas in med L in = 763 kmol/h medan gasen matas in med V in = 5 kmol/h. Jämvikten för absorptionsprocessen ges av y = 1,682 x där y och x är molfraktionerna av etanol i gasfasen och vattenfasen, respektive. Antag ingen upplösning av CO 2 i vattnet, avdunstning av vatten kan också försummas. För denna separation, är totalhöjden av en överföringsenhet på gas sidan HTU og =,6 meter. Separationsfaktorn = absorptionfaktor A = L / (K V) = 1,44. a. Bestäm storleken för molströmmarna L ut and V ut, och molbråken x ut och y ut, i % mol för etanol i båda produktströmmar. b. Bestäm värdet för det totala antalet överföringsheter på gas sidan NTU og och uppskatta höjden av packningen (i meter) som behövs för denna separation. Använd ett x, y diagram om det behövs och lämna in den tillsammans med dina svar. Antag driftlinjen som en rak linje. A CO 2 gas stream that evolves during production of ethanol by fermentation contains 1 % mol ethanol vapour. This ethanol is to be removed by absorption in liquid water at 4ºC, 1 bar, in a packed column. Water that contains.1 % mol ethanol is fed as the sorbent and the recovery of ethanol from the CO 2 stream should be 98%. The liquid is fed at L in = 763 kmoles/h while the gas enters at V in = 5 kmoles/h. The equilibrium for the absorption process is given by y = x where y and x are mole fractions of ethanol in the vapour phase and water phase, respectively. Assume no dissolution of CO 2 in the water; neglect also evaporation of water. For this separation, overall height of a transfer unit taken from the gas side equals HTU og =.6 m. The separation factor = absorption factor A = L/(K V) = a. Determine molar flows L out and V out and the molar fractions x out and y out, as % mol for ethanol for the two product streams. b. Determine the value for the overall number of transfer units taken from the gas side NTU og and estimate the height of packing (in m) needed for this separation. Use an x,y diagram if needed and hand that in with your answers. Assume the operation line to be a straight line.

5 4. En L = 1 kg/h vattenlösningström innehållande x in = 1 % vikt nikotin tvättas med en ström av V = 2 kg/h kerosin innehållande y in =,5 % vikt nikotin, i en ett stegs extraktions process. Den utgående vattenströmmen tillåts innehålla x ut =,1 % vikt nikotin. a. Beräkna massflödet, ṁ (kg/h), av nikotin i båda utloppsströmmar. ( 2p.) b. Beräkna separationsfaktorn, S, och ge värdet för jämviktskonstanten K (kg/kg). (2p.) c. Beräkna koncentrationen av nikotin i båda utloppsströmmar, x ut och y ut (i % vikt), ifall två jämviktssteg används. (2p.) d. Ifall två jämviktssteg används för att erhålla målet x ut =,1 % vikt nikotin i vattenströmmen, beräkna hur stor (kg/h) kerosinströmmen (med x in =,5 % vikt nikotin) behöver vara. (2p.) An L = 1 kg/h water solution stream containing x in = 1 % wt nicotine is washed with a stream of V = 2 kg/h kerosene containing y in =,5 % wt nicotine, in a single stage extraction process. The output water stream is allowed to contain x out =,1 % wt nicotine. a. Calculate the mass stream, ṁ (kg/h), of nicotine in both of the exit streams (2p.) b. Calculate the separation factor, S and give the value for the equilibrium constant K (kg/kg). (2p.) c. Calculate the concentration of nicotine in both of the exit streams, x out and y out (in % wt) if two equilibrium stages are used. (2p.) d. If two equilibrium stages are used to obtain the goal of x out =,1 % wt nicotine in the water stream, calculate how large (kg/h) the stream of the kerosene (with x in =,5 % wt nicotine) needs to be. (2p.) 5. Metanol (CH 3 OH, M = 32 kg/kmol, kokpunkt 64,7 C vid 11,3 kpa) ska separeras från vatten i en atmosferisk distillationsprocess i en bottenkolonn. Tillflödeströmmen F innehåller 15,17 kg/h metanol och 1,44 kg/h vatten, och är en vätske med temperaturen under kokpunktstemperaturen: q = 1,1. Destillat ddmd med 99 % mol metanol och bottenprodukt B med 95% mol vatten ska produceras. Jämviktkurvan för metanol/vatten vid 1 atm finns bifogad (se sidan 3) och ska lämnas in med svaren. a. Visa att ett medelvärdet för relativa flyktigheten α frän värden för α för x =,1och för x =,9, så att α α x α, ger α x. b. Bestäm också (grafiskt eller med Fenske ekvationen) minimiantalet teoretiska bottnar i kolonnen N min. c. Rita upp q linjen in x,y diagrammet. Bestäm (grafiskt, eller med Underwood ekvationen) minimala återflöddesförhållandet R min.

6 Obs: för q 1 och q blir Underwoods ekvation, och med medelvärdet α för α: xd 1 x D R 1 min x x 1 där x är värdet för x för den punkten där q linjen sammanträffar med jämviktskurvan. (För q = 1 skulle x vara x = x F ). Methanol (CH 3 OH, M = 32 kg/kmol, boiling point 64,7 C at 11,3 kpa) is to be separated from water using an atmospheric distillation process in a tray column. The feed F contains 15,17 kg/h methanol and 1,44 kg/h water and is a liquid with temperature below the boiling point: q = 1,2. Distillate D containing 99% mol methanol and bottom product B containg 95% mol water shall be produced. The equilibrium curve for methanol/water at 1 atm is enclosed and must be handed in with the answer. a. Show that the average value for the relative volatility α of the values for α for x =,1and for x =,9, so that α α x α, gives α x. b. Determine also (graphically or using Fenske s equation) the minimum number of theoretical stages, N min. c. Draw the q line in the x,y diagram. Determine, also (graphically or using Underwood s equation) the minimum reflux ratio, R min. Note: for q 1 and q Underwood s equation,with average value α for α, becomes: xd 1 x D R 1 min x x 1 where x is the value for x where the q line crosses the equilibrium curve. (For q = 1, x would be x = x F ). 1.9 methanol - water 1 atm y.5.4 x y x

7 6. I en s.k. flash destillationsprocess separeras en två komponents blandning F (aceton + ättiksyra) i en vätske (L) och en ångström (V). Se figuren intill. Blandningen F förvärms och efter en tryckminskning pumpas den till en behållare där separationen pågår vid trycket 1 atm. Vätske och ångfasen är i jämvikt. x F är molbråket av den flyktiga komponenten (aceton) i blandningen F. F = 1 mol/s, x F =.6 och q = L/F. Med användning av fasdiagrammet som finns nedan: a. Beräkna mängderna och sammansättningarna av L och V för q = 3/4. b. Vad är bästa kvaliteten för gasprodukten V från blandningen F, dvs. högsta värdet för y, och vilka är värdena för q, L och V i så fall? c. Man vill producera en ångprodukt med y =.98 från blandningen F. Kan detta åstadkommas genom att: 1. ändra på trycket ; 2. ändra på förvärmningstemperaturen, dvs. På värdet för q; 3. en annan metod In a so called flash distillation process a two component mixture F (acetone + acetic acid) is separated in a liquid (L) and a vapour (V) stream; see the Figure above. Mixture F is preheated and after a pressure decrease pumped into a vessel where separation occurs at 1 bar acetone - acetic acid 1 atm pressure. The liquid and vapour phases reach equilibrium. x F is the molar fraction of the volatile component (acetone) in mixture F. F = 1 mol/s, x F =,6 and q = L/F. Using the phase diagram given above: a. Calculate the amounts and composition of streams L and V for q = ¾. b. What is the best quality for the vapour product V that can be obtained from mixture F, i.e. the highest value for y, and what are the values for q, L and V in that case c. The goal is to produce a vapour product with y =.98 from mixture F. Can this be realised through: 1. a change in pressure 2. a change in the preheat temperature, which gives a different value for q; or 3. another method y x

8 7.

9 Svar / answer 1:

10 Svar / answer 2: Svar / answer 6: