CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik Kemisk apparatteknik

Transkript

1 CHALMER TEKNIKA HÖGKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik Kemisk apparatteknik KURNAMN eparations- och apparatteknik, KAA095 Med förslag till lösningar PROGRAM: namn åk / läsperiod EXAMINATOR Civilingenjörsprogram kemiteknik Civilingenjörsprogram kemiteknik med fysik årskurs 3 läsperiod Krister tröm TID FÖR TENTAMEN LOKAL Lördag oktober, kl V HJÄLPMEDEL ANV LÄRARE: namn telnr besöker tentamen DATUM FÖR ANLAG resultat samt tid och plats för granskning ÖVRIG INFORM. Valfri räknedosa/kalkylator med tömt minne. Egna anteckningar och kursmaterial är ej godkänt hjälpmedel "Data och Diagram" ven-erik Mörtstedt/Gunnar Hellsten "Physics Handbook" Carl Nordling/Jonny Österman "BETA β" Lennart Råde/Bertil Westergren Formelblad (vilket bifogats tentamenstesen) Krister tröm Kl resp kl.30 var till beräkningsuppgifter anslås måndag 3 september på kurshemsidan, studieportalen. Resultat på tentamen anslås tidigast onsdag 9 september efter kl.00. Granskning torsdag 0 september kl samtmåndag 4 september kl i seminarierummet, forskarhus II plan. Tentamen består en teoridel med nio teorifrågor samt en räknedel med fyra räkneuppgifter. Poäng på respektive uppgift finns noterat i tentamentesen. För godkänd tentamen fordras 40% tentamens 50 poäng. amtliga diagram och bilagor skall bifogas lösningen 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 in för rättning skall vara väl läsligt och förståeligt. Material som inte uppfyller detta kommer att utelämnas vid bedömningen.

2 Del A. Teoridel A. a) Vad är skillnaden mellan medstöms- resp. motströmskoppling vid flereffektindunstning? Förklara lut- och ångföring för ett flereffektssystem! b) När är det lämpligt att välja motströmskoppling? A. Beskriv och förklara funktionen hos en lämplig indunstare som ska koncentrera en temperaturkänslig lösning! (3p) (3p) A3. a) Vad är för- och nackdelar med konduktionstorkar i jämförelse med konvektionstorkar? b) Vad innebär våttemperaturjämvikt? Ange i vilket sammanhang den kan användas för beskrivning en torkprocess. (3p) A4. a) Du har tillgång till data från en filtreringsutrustning över samhörande värden mellan filtratvolym och tid. Visa schematiskt hur du kan bestämma det specifika filtrermotståndet, α, och filtermediets motstånd, R m, utifrån dessa. b) Nämn en satsvis och en kontinuerlig filterutrustning, och beskriv kortfattat de båda utrustningarnas funktion. (3p) A5. Ange två industriella processer där lakning används som separationsmetod! (p) A6. Hur förbehandlar man lakgodset lämpligast för att få så effektiv lakning som möjligt? (p) A7. Ange fyra fall då vätska-vätskaextraktion är att föredra framför destillation som separationsmetod? (p) A8. Du ska separera en vätskeblandning i två produkter. Den ena produkten ska innehålla komponenterna A och och den andra produkten A och B. Blandningens sammansättning finns representerad i triangeldiagrammet ned där också lösningskurvan är inritad Vilken enhetsoperation ska du välja för att genomföra separationen blandningen? Motivera svaret kortfattat (3p) Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

3 A9. För att snabbare skilja en blandning två vätskor med olika densitet från varandra kan man sätta in koniska koncentriska plåtar, se figur nedan, i en centrifugalseparators separatorkula. Redogör för varför en kapacitetsökning erhålls hos en centrifug när ett tallrikspaket sätts in i separatorkulan! tudera figuren på tallrikspaketet och gör om vi får en ren lätt eller tung fas! Motivera svaret! (3p) Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

4 Del B. Problemdel B. En procesström, 3.6 ton/h, hållande 0 vikt-% NaOH ska koncentreras till 50 vikt-% NaOH i en enkeleffekt industare vid trycket 0.4 bar. om värmande ånga används mättad vattenånga 8 bar. Det skenbara värmegenomgångstalet kan ansättas till 878 kj/h m K. Tillflödets temperatur är 60ºC. Beräkna erforderlig värmeöverförande yta! Beräkna dunstningsfaktorn! Beräkna behovet värmande ånga! Entalpi- och Düringdiagram för NaOH-lösning bifogas. (8p) B. I en tvåstegs strömtork torkas ett torkgods från en fuktkvot på 3,5 till en fuktkvot på 0,4. Ingående torkgodsflöde är 7,8 kg fuktigt gods per minut. Ingående torkluftflöde håller en temperatur på 0 C och en relativ fuktighet på 40 %. Torkluften förvärms i båda stegen till 90 C. a) Beräkna specifika luftförbrukningen och specifika värmebehovet i den verkliga torken, om utgående torkluft efter första steget håller 3 C och en fuktighet på 50 %, och efter andra steget 40 C och en fuktighet på 60 %. b) Hur stor är den totala luftförbrukningen i m 3 /min, och tillförd värmeeffekt i W? c) Vad skulle luftförbrukning och värmeeffekt bli om torkstegen skulle ske idealt? Uppvärmningen sker fortfarande till 90 C, och utgående torkluft kan antas vara mättad i båda stegen. Mollierdiagram bifogas. B3. I en planerad process ska en suspension ett partikelformigt material filtreras och tvättas i en platt- och ramfilterpress. Den planerade kapaciteten är 3 ton filtrat/h. Av transporttekniska skäl kommer suspensionen att hålla en torrhalt på 8 vikt-%. Varje ram i filterpressen har en volym på 0,030 m 3 och en filteryta på,5 m. En filtreringscykel är planerad enligt följande: Det första skedet sker filtreringen med konstant filtratflöde på 0 liter/min genom varje ram, tills en tryckskillnad på 4,0 bar är uppnådd. Därefter sker filtreringen med konstant tryckskillnad på 4,0 bar tills ramarna är fulla. Efter själva filtrering sker tvättning kakan vid konstant tryckskillnad på 3,0 bar tills en tvättkvot på 3 uppnåtts (tvättkvoten är kvoten mellan mängd tvättvätska som tillförts och den mängd vätska som fanns i den bildade kakan), d.v.s. tills filterkakans vätska är bytt 3 gånger. Tvättningen sker genom s.k. enkel tvättning, där tvättvätskan leds in samma väg som suspensionen och ut samma väg som filtratet. Hela cykeln antas ske vid 0 C. I laboratorieförsök har specifika filtrermotståndet, α, bestämts till,7 0 m/kg, kakans porositet till 0,55 och partiklarnas densitet till 500 kg/m 3. amma kan antas gälla i fullskalefiltreringen. Det planerade filtermediet antas ha ett försumbart motstånd. (8p) Vänd Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

5 a) Hur lång tid tar själva filtreringen? b) Om omställningstiden (tiden för filtertömning, preparering för nästa filtercykel, m.m.) uppskattas till 4 min, hur många ramar måste man då minst använda för att uppnå önskad kapacitet? B4. Ett pigment framställs i en anläggning vilket presenteras som ett blockschema i figuren nedan. (p) Vatten, ingående lakmedel Vatten Vatten Reaktanter Fällningssteg Lakningsanläggning Tork Utgående extraktfas Torkat pigment Pigmentet framställs i ett fällningssteg och är förorenat med lösliga komponenter som lakas bort i en efterföljande lakningsanläggning. Lakningsanläggningen arbetar enligt motströmsprincip med vatten som lakmedel. In till lakningsanläggningen förs 00 kg/h som håller 60 vikt-% pigment, 30 vikt-% lakbara föroreningar samt 0 vikt-% vatten. Utgående extraktfas från lakningsanläggningen ska hålla 80 vikt-% lakbart. Pigmentet tillåts hålla.5 vikt-% föroreningar efter torkning. Vid analys underströmmarna i lakningsanläggningen har man funnit att tre kg inert pigment kvarhåller ett kg vatten. Hur många ideala lakningssteg fordrar i lakningsanläggningen för att uppfylla separationbskret? Hur mycket vatten (lakmedel) måste lakningsanläggningen tillföras för att separationen ska kunna genomföras? Hur mycket vatten förångas i torken? (8p) Göteborg Krister tröm Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

6 Formelblad eparations- och apparatteknik TORKNING dh dy H H Y Y c pl T q q X q F Förvärmare Torkanläggning q D ΔH vap, T0 + c pv T G c pl T FILTRERING dv dt A ΔP μ( cα V + AR m ) ρ J c ε (- J ) - - ε J ρ ρ s EDIMENTERING Fri sedimentering: v D ( ρ ρ) g p s 8μ Klarnarens yta A F v TRÖMNING I PORÖ BÄDD Kozeny-Carman baserad: v mf K" 3 ε mf ( ε mf ( ρ ρ) g ) μ Ergun baserad: v mf 50( ε mf ) μ + 3.5D ρ P 50( ε mf ) μ 3.5DP ρ ( ρ + 3 ρ) gε D.75ρ mf P Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

7 YMBOLFÖRTECKNING: TORKNING c pl vattnets värmekapacitet, kj/kg,k T torkgodsets temperatur, ºC q värme för uppvärmning torra godset, kj/kg d. q X värmemängd för uppvärmning vatten i torkgods, kj/kg d. q F q D värmeförluster, kj/kg d. värme genom torkluft Δ H vap,t0 vattnets ångbildningsvärme vid 0ºC, kj/kg c pv vattenångas värmekapacitet, kj/kg,k T G luftens temperatur, ºC T torkgodsets temperatur, ºC H luftens entalpi, kj/kg torr luft Y luftens vatteninnehåll, kg vattenånga/kg torr luft FILTRERING A filtreringsarea, m c förhållandet mellan vikten det fasta materialet i filterkakan och filtratvolymen, kg/m 3 J massbråk fast material i suspensionen, - ΔP tryckfall över filterkakan, Pa R m filtermediets motstånd, m - t filtreringstid, s V erhållen filtratvolym under tiden t, m 3 α specifikt filtreringsmotstånd, m/kg ε filterkakans porositet, - μ fluidens viskositet, Pa s ρ fluidens densitet, kg/m 3 ρ s fasta fasens densitet, kg/m 3 EDIMENTERING A sedimentationsarea, m D p partikelstorlek, m F tillflöde, m 3 /s g tyngdaccelerationen, m/s v partikelns sedimentationshastighet, m/s μ fluidens viskositet, Pa s ρ fluidens densitet, kg/m 3 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

8 ρ s fasta fasens densitet, kg/m 3 TRÖMNING I PORÖ BÄDD ρ s fasta fasens densitet, kg/m 3 D p partikelstorlek, m g Acceleration i gritationsfält, m/s K Kozenys konstant Partikelns specifika yta, m /m 3 v mf Minsta hastighet för fluidisation, m/s μ fluidens viskositet, Pa s ρ fluidens densitet, kg/m 3 ε mf Bäddens porositet vid minsta hastighet för fluidisation, - Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

9 vikts-% NaOH Kokpunkt för vatten [ C] Lösningens temperatur 00 C 40 C 60 C 80 C 0 C 00 C 80 C 60 C 40 C 0 C Vikts-% NaOH Kokpunkt för lösningen [ C] Entalpi för lösningen [kj/kg] Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

10 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

11 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

12 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

13 B. Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

14 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

15 B Torkluft Torkgods Tork I Tork II Givet: M & gods 7,8 kg fuktigt gods/min 0,3 kg/s X in 3,5 X ut 0,4 T 0 C j 0,40 T T 4 90 C T 3 3 C j 3 0,50 T 5 40 C j 5 0,60 ökt: a) l och q b) V & in och Q & c) V & och in, ideal Q & om torkningen sker idealt ideal Lösning: a) Inläggning tillstånden i Mollierdiagrammet ger: Y 0,0030 kg fukt/kg torr luft Y 5 0,084 kg fukt/kg torr luft Y Y 5 Y 0,084 0,0030 0,054 kg fukt/kg torr luft H 8 kj/kg torr luft H 99 kj/kg torr luft H 3 70 kj/kg torr luft H 4 30 kj/kg torr luft H H H + H 4 H kj/kg torr luft l / 0, kg torr luft/kg dunstat Y H q 4 / 0, kj/kg dunstat 5,5 MJ/kg dunstat Y

16 b) Det fuktiga godsets torra flöde fås ur: M& gods M& fukt + M& X M& + M& M& M& gods + X Det ingående godsets torra flöde: M & 0,3 / ( + 3,5) 0,09 kg torrt gods/s En fuktbalans ger: M& X M& G Y M& X M& G Y M & G 0,09 (3,5 0,4) / 0,054 3,53 kg torr luft/s Ingående volymflöde fås nu om densiteten vid ingående lufts tillstånd är känt. Mollierdiagrammet i Data & Diagram (sista bladet) ger: ρ in ρ (0 C, 40 % rel. fuktighet),45 kg/m 3 in ρ t, in ρ,4 kg/m 3 + Y V& in M& G ρ t, in 3,53 /,4,84 m 3 /s 70 m 3 /min Tillförd värmeeffekt fås nu ur: Q& M& H G 3, W 500 kw c) Torkningen sker nu idealt, d.v.s. följer en våttemperaturlinje från tillstånd och 4. Inritat i Mollierdiagram fås nu nya värden för tillstånd 3 5: Y 5,ideal 0,0497 kg fukt/kg torr luft Y ideal Y 5,ideal Y 0,0497 0,0030 0,0467 kg fukt/kg torr luft H 3,ideal 0 kj/kg torr luft H 4,ideal 65 kj/kg torr luft H H H + H 4,ideal H 3,ideal kg fukt/kg torr luft En fuktbalans ger: M& X M& G, ideal 0,3 (3,5 0,4) / 0,0467,9 kg torr luft/s Y ideal

17 Eftersom ingående luft inte ändras, är ρ t,in samma. Detta ger nu: V& in, ideal & M& G, ideal,9 /,4,55 m 3 /h 93 m 3 /min ρt, in M& G ideal H ideal, W 80 kw Q ideal,

18 B3 Givet: m& filtrat 3 ton/h 6,39 kg/s J 0,08 V ram 0,030 m 3 A ram,5 m ( dv dt), ram 0 liter/min ram 3, m 3 /s ram P 4,0 bar P tvätt 3,0 bar WR 3 T 0 C α,7 0 m/kg R m försumbar ε 0,55 ρ s 500 kg/m 3 t omst 4 min 40 s ökt: a) t slut b) n ram Lösning: a) Filtreringen sker först vid konstant flöde. Då gäller (med försumbart mediemotstånd): dv dt V V P A t t µ α c V Med känt flöde och sluttryck kan filtratvolymen V beräknas som: V µ P A dv c dt α Tiden t för den första fasen fås ur: V t dv dt Därefter fortsätter filtreringen vid konstant tryckfall, alltså gäller: t V slut full t dt V µ α c V P A dv t slut t α V c P A V µ full µ α c tslut t + ( V V ) full P A

19 Tiden för filtrering är samma för en enskild ram som för hela utrustningen, så vi kan räkna på en ram. Bestämning filterkvoten c och vätskans egenskaper behövs: µ µ (0 C), Pa s ρ ρ (0 C) 998, kg/m 3 J ρ c ε J ε ρ J ρ s c 0,08 998, / ( 0,08 0,55/( 0,55) 998,/500 0,08) 90,6 kg/m 3 Nu kan V,ram beräknas: V,ram 4,0 0 5,5 / (, ,7 0 90,6 3, ) 0,0 m 3 /ram Filtreringstiden för första fasen: t 0,0 / 3, s Filtratvolymen för att fylla en ram fås ur: Torrsubstansmassa i kakan c Filtratvolym Här är V kaka V ram, så V full ( ε ) ( ε ) ρs V ρs Vram, ram 500 ( 0,55) 0,030 / 90,6 0,37 m 3 /ram c Nu kan tiden för filtreringen bestämmas: t slut 39 +, ,7 0 90,6/( 4,0 0 5,5 ) (0,37 0,0 ) 059 s full V kaka t slut 34 min

20 b) För att beräkna hur många ramar som krävs för att ta hand om en viss mängd filtrat, måste den totala tiden för en filtercykel, med tvättning och omställning, beräknas. Därefter kan det nödvändiga antalet bestämmas enligt: V& filtrat n ram V t cykel full, ram n ram t V cykel V& filtrat full, ram t V cykel m& full, ram filtrat ρ med t t + t + t cykel slut tvätt omst Vid tvättningen gäller att både tryckfallet och flödet är konstanta: dv dt tvätt P µ α tvätt A c V full α c V motsvarar strömningsmotståndet i den bildade filterkakan.) ( full Räknat på en ram blir tvättvätskeflödet: dv/dt tvätt,ram 3,0 0 5,5 / (, ,7 0 90,6 0,37) 7, m 3 /s ram Den totala tvättvätskevolym som använts är 3 gånger mängden vätska i kakan, eller: WR V tvätt Vtvätt WR ε Vkaka ε Vkaka V tvätt,ram 3 0,55 0,030 0,0495 m 3 /ram Tvättiden fås nu ur: t tvätt V tvätt, ram ( dv dt) tvätt, ram 0,0495 / 7, s Den totala tiden för en filtreringscykel blir nu: t cykel s Detta ger nu minsta antalet ramar: n ram 97 6,39 / (0,37 998,) 5,07 5 ramar (Vid minsta antal måste rundning ske uppåt!)

21 B4. Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum

22 Tentamen i eparations- och apparatteknik Datum