CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik

Transkript

1 CHAMERS EKNISKA HÖGSKOA Institutionen för kemi- och bioteknik KURSNAMN Bisoseparationsteknik, KAA50 Med förslag till lösningar av beräkningsuppgifter PROGRAM: namn åk / läsperiod Civilingenjörsprogram bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Ström ID FÖR ENAMEN OKA Onsdag 6 mars, kl HJÄPMEDE ANS ÄRARE: namn telnr besöker tentamen DAUM FÖR ANSAG av resultat samt av tid och plats för granskning alfri räknedosa/kalklator med tömt minne. Egna anteckningar och kursmaterial är ej godkänt hjälpmedel."data och Diagram" av Sven-Erik Mörtstedt/Gunnar Hellsten abeller och Diagram av Gunnar Hellsten "Phsics Handbook" av Carl Nordling/Jonn Österman "BEA β" av ennart Råde/Bertil Westergren Formelblad (vilket bifogats tentamenstesen) Krister Ström ca. kl och 6.30 ösningar till tentamens räknedel anslås på kurshemsidan 7 mars. Resultat på tentamen anslås 4 april. Granskning tisdag 5 april kl i seminarierummet, forskarhus II plan. ÖRIG INFORM. entamen består av teoriproblem, del A, och en beräkningsdel, del B. Omfattningen av del A är ca 40% av totalpoängen på tentamen Poäng på respektive uppgift finns noterat i tentamenstesen. För godkänd tentamen fordras 50% av tentamens totalpoäng. Samtliga diagram och bilagor skall bifogas lösningen 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 in för rättning skall vara väl läsligt och förståeligt. Material som inte uppfller detta kommer att utelämnas vid bedömningen.

2 Del A: eori A. För ett sstem bestående av p-len och m-len finns följande jämviktsdata publicerade av Kato, Sato och Hirata, J. Chem. Eng. Jpn., 4, 305 (970). emperatur, ºC para-len para-len a) Finns det anledning att tro att sstemet uppträder idealt? b) Har sstemet en azeotrop? c) Om man skulle bestämma aktivitetefaktorerma för respektive komponent för en vätskeblandning hållande 90 mol-% para-len och 0 mol-% meta-len, skulle dessa avvika mcket från.0 ( dvs mcket mer än 0%)? d) Kan en separation av dessa komponenter genom destillation betraktas som lätt eller svår? För att erhålla poäng på uppgiften fordras att svaren motiveras! (5p) A. id separation av en blandning av två komponenter föreslås en stripper/avdrivare att användas a) ad är fördelen med en sådan utrustning? b) Ställs speciella krav på tillflödets tillstånd? c) Hur kan man utforma strippern eller dess drift, så att en så hög renhet som möjligt kan fås hos en av produkterna? För att erhålla poäng på uppgiften fordras att svaren motiveras! (4p) A3. arför finns det behov av distributörer på flera nivåer i en packad kolonn, men inte i en bottenkolonn? (p) A4. ilka krav ska ställas på ett absorptionsmedel? Motivera svaret! A5. Beskriv funktionen hos en tvångscirkulationsindunstare och komplettera beskrivningen med en skiss! (4p) (3p) Datum

3 A6. Nämn en satsvis och en kontinuerlig filterutrustning, och beskriv kortfattat de båda utrustningarnas funktion! (p) A7. ilka två krafter verkar på partiklarna i en fluidiserad bädd? A8. Beskriv funktionen hos en tubulär centrifug! Hur kan kapaciteten ökas hos en centrifug? (p) (3p) Datum

4 Del B: Beräkningsuppgifter B. I en destillationskolonn destilleras en blandning av komponent A och vatten där komponent A är den lättflktiga komponenten. Kolonnen är utrustad med totalkondensor och värms med direktånga och arbetar vid 760 mmhg. illflödet, 00 kmol/h, håller 46 mol-% A och påföres som mättad vätska till kolonnen. Från kolonnen önskar man två produkter, en hållande 90 mol-% vatten och en hållande 4 mol-% vatten. Kolonnen arbetar vid ett ttre återflödesförhållande R.8R min. a) ilka blir produktflödena från kolonnen? b) ilken är temperaturen hos tillflödet? c) Hur många ideala steg fordras för att genomföra separationen? d) Hur mcket direktånga (kmol/h) fordras för att genomföra separationen? Givna data: Jämviktsdiagram för sstemet A/H O bifogas. Antoines ekvation: Antoinekonstanter: o logp (mmhg) A i i C i B i o + t( C) Komponent A i B i C i A H O B. En luftström, 000 kg/h (34.5 kmol/h), innehåller.5 mol-% ammoniak. I en packad kolonn ska denna ammoniak tas bort till 95% genom absorption i vatten, påfört i en mängd av 9900 kg/h (550 kmol/h) och hållande 0.05 mol-% ammoniak. rcket i kolonnen är 00 kpa och temperaturen är 0ºC. a) Beräkna erforderlig packningshöjd om H og kan antas vara 0.8 m. b) ätskeflödet är egentligen ett sammanslaget flöde av dels en ström, 75 kmol/h, hållande 0. mol-% ammoniak och en ström, 75 kmol/h, hållande 0.0 mol-%. Beräkna totalt erforderlig packningshöjd om dessa vätskeflöden införes på olika, lämpliga ställen i kolonnen. Givna data: Jämviktsdata för ammoniak-vatten vid 00kPa. ( vätskefas- och ångfassammansättning) (0p) Datum

5 vid 0ºC änd (p) B3. En utspädd vattenlösning innehållande 0.5 vikt-% kalciumsulfat skall indunstas i en eneffektsindunstare, som arbetar vid bar. För uppvärmning används mättad ånga vid 5 bar. Indunstarens kapacitet är 0MW och det skenbara värmegenomgångstalet är.0 kw/m K. Flödet på utgående vattenånga är 7.5 kg/s och temperaturen på ingående flöde är 50ºC. Bestäm a) erforderlig värmeta i indunstaren! b) erforderligt färskångflöde! och c) utgående koncentration på kalciumsulfatlösningen! B4. Ett trckfilter, som har en total filterta på 4 m, används för att filtrera en suspension med en torrhalt på.5 vikt-%. Filtreringen sker vid ett konstant trckfall på.5 bar och en temperatur på 80 C. Efter 5 min av filtreringen har 5.6 m 3 filtrat producerats, och efter 0 min 8.3 m 3 filtrat. På labb har kakans porositet uppmätts till 47 % och det fasta materialets densitet till 500 kg/m 3. a) Beräkna hur lång tid filtreringen tar, om den avbrts vid en kaktjocklek på 5 cm. b) Uppskatta specifika filtreringsmotståndet och filtermediets motstånd. (5p) c) För att öka kapaciteten funderar man på att öka trcket till ett trckfall på 3.5 bar. Hur mcket tid tjänar man på detta för varje filterckel? (9p) Göteborg Krister Ström Datum

6 Bioseparationsteknik Formelsamling Datum

7 DESIAION Relativ flktighet: α, där anger vätskefassammansättning anger ångfassammansättning anger lättflktig komponent anger tung komponent Destillation: Materialbalanser: D, D n n+ n + DD F, F n+ m m+ m+ m - BB W, B, B W q-linje: q -q + F q Datum

8 Datum

9 Datum

10 Datum ABSORPION ätningshastigheten: B W S ρ W > 0-5 m /s för ringar med diameter mellan 5 mm och 75 mm, och för galler med delning mindre än 50 mm. W > m /s för större packningsmaterial. Bindelinjens lutning: P a k C a k G i i Packningshöjd: id låga halter: ) ( ) ( ) ( ) ( * * i G i G d C a K d C a k l d P a K d P a k l ) ( ' ) ( ' ) ( ' ) ( ' * * X X X X i Y Y G Y Y i G X X dx C a K X X dx C a k l Y Y dy P a K Y Y dy P a k l

11 Datum id rät driftlinje och rät jämvikts- kurva: ln ln m m m C a K l m m m P a K l G id rät driftlinje och rät jämviktskurva gäller: G O G OG H G m H H H G m H H + + FIRERING ) ( av AR m c P A dt d + Δ α μ s av av J J J c ρ ρ ε ε ρ - - ) (- SEDIMENERING Fri sedimentering: μ ρ ρ 8 ) ( g D v s p

12 SYMBOFÖRECKNING: ABSORPION a massöverförande ta per tornvolm, m /m 3 C sb,flood kapacitetsparameter, ft/s C vätskans totalkoncentration, kmol/m 3 e packningens porositet, - F packningsfaktor, m - F lv flödesparameter, - g tngdaccelerationen, m/s gasflöde, kmol/(m s) G gasflöde, kg/(m s) inert gasflöde, kmol/(m s) H G höjd svarande mot en massöverföringsenhet, gasfilm, m H höjd svarande mot en massöverföringsenhet, vätskefilm, m H OG höjd svarande mot en massgenomgångsenhet, gasfasstorheter, m H O höjd svarande mot en massgenomgångsenhet, vätskefasstorheter, m k G massöverföringstal, gasfilm, kmol/(m satm) k massöverföringstal, vätskefilm, m/s K G massgenomgångstal baserat på gasfasstorheter, kmol/(m satm) K massgenomgångstal baserat på vätskefasstorheter, m/s vätskeflöde, kmol/(m s) vätskeflöde, kg/(m s) inert vätskeflöde, kmol/s W vätningshastighet, m /s m jämviktskurvans lutning, - P totaltrck, atm S B specifik ta hos packningsmaterialet, m /m 3 u G gashastighet, m/s u nf gashastighet vid flödning (baserad på aktiv area), ft/s molbråk i vätskefas, - X molbråksförhållande i vätskefas, mol absorberbart/mol inert vätska molbråk i gasfas, - Y molbråksförhållande i gasfas, mol absorberbart/mol inert gas l packningshöjd, m μ vätskans dnamiska viskositet, Pas μ W dnamiska viskositeten för vatten vid 0 C, Pas ρ G gasens densitet, kg/m 3 ρ vätskans densitet, kg/m 3 ρ W densiteten för vatten vid 0 C, kg/m 3 σ tspänning, dn/cm (mn/m) Datum

13 FIRERING A filtreringsarea, m c förhållandet mellan vikten av det fasta materialet i filterkakan och filtratvolmen, kg/m 3 J massbråk av fast material i suspensionen, - ΔP trckfall över filterkakan, Pa R m filtermediets motstånd, m - t filtreringstid, s erhållen filtratvolm under tiden t, m 3 α av specifikt filtreringsmotstånd, m/kg ε av filterkakans porositet, - μ fluidens viskositet, Pas ρ fluidens densitet, kg/m 3 ρ s fasta fasens densitet, kg/m 3 SEDIMENERING D p partikelstorlek, m g tngdaccelerationen, m/s v partikelns sedimentationshastighet, m/s μ fluidens viskositet, Pas ρ fluidens densitet, kg/m 3 ρ s fasta fasens densitet, kg/m 3 Datum

14 Datum

15 Datum

16 0,9 0,8 0,7 Molbråk A i 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 A i vätskefas Datum

17 0,9 0,8 0,7 Molbråk A i 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 A i vätskefas Datum

18 B. Data: F 00 kmol/h F 0.46 D 0.96 W 0.0 R.8R min P 760 mmhg Sökt: a) D, W b) F c) n IDEA d) ösning:, D D, D F, F, W, W a) Materialbalanser F + D + W () F F D D + W W () RD (3) + F RD + F (4) W (5) D(R + ) (6) Sök ett samband F f(d) F D + W - F F D D () W D W Datum

19 D(R + ) Sök R! R D n+ n + där avskärningen R + R + φ D R + id minimalt återflöde D φ min R + min D 0.96 R min.9 R 5.35 φ 0.33 min Q Q D(R + ) 6.35D F D D D D 4.08 kmol/h W 8.83 kmol/h b) F? Jämviktsvillkoret kan tecknas O PA A A P A 0.46 A 0.64 från jämviktsdiagram O P mmhg F C A c) n? Övre driftlinjen skapas φ0.5. Nedre driftlinjen konstrueras från skärningspunkten mellan q-linjen och övre driftlinjen samt punkten (0.0,0.0) på -aeln. Stegning ger 9 ideala steg. d)? {pga konstanta molära flöden} D(R + ) 5.9 kmol/h Svar: a) 4. kmol/h, 5.9 kmol/h b) 86.9 C c) 9 ideala steg d) 5.9 kmol/h Datum

20 B. Data: 34.5 kmol/h kmol/h P 00 kpa 0 C H og 0.8 a) Sökt: l ösning:,, l,, Packningshöjden beräknas ur l H og N og samt pga små molbråk Rät driftlinje 95% av ingående ammoniak skall absorberas åga halter! Av givna jämviktsdata framgår att jämviktskurvan har lutningen m i aktuellt koncentrationsintervall. Detta är baserat på första datapunkten då samtliga sammansättningar är lägre än de som representerar första datapunkten. m N og ln N og 3.84 l 3.07 m m m b) Sökt: l då absorptionsvätskan påföres optimalt. Datum

21 ösning: ? Studera torn : N og Q l ln m H N og og m m l N m og m Studera torn : N og ln N og. 598 m 3 Q l H og N og l.078 m otalt kommer packningshöjden att bli l O.56 m Svar: 3.07 m respektive.56 m Datum

22 B3. Data: F P bar P S 5 bar Q 0 MW U SKB.0 kw/m C 7.5 kg/s F 50 C a) Sökt: a) A b) S c) ösning: P S, P S, F, F a) Kapacitetsekvationen Q U SKB AΔ Δ S - Q kw S { P S 5 bar } 5.85 C { P bar } 0.3 C Q A A 63 m U SKB ( ) S b) Kapacitet Q SΔH AP ΔH AP { P bar } 08.6 kj/kg S 9.48 kg/s Datum

23 F c) F F F + Fh h H h F F + Q H + h { bar} kj/kg { bar} kj/kg o {50 C} kj/kg H F h ( h ) F h F kg/s Q F.78 kg/s Q 0.04 Svar: a) 63 m b) 9.48 kg/s c).4 vikt-% B4. Data: J 0.05 t 5 min 300 s ΔP.5 bar 5.6 m 3 A 4 m t 0 min 600 s Q 0 MW 8.3 m 3 5 cm 0.05 m ΔP NY 3.5 bar 50 C ε A 0.47 ρ S 500 kg/m 3 a) Sökt: a) t SU b) α och R M c) t SU, NY vid P NY ösning: a) Filtreringen sker vid konstant trck, då gäller t μαac μrm + ΔΔP ΔPA Detta beskriver en rät linje om man avsätter t/ mot i ett diagram vilket kan beskrivas som Datum

24 t utning + Avskärning Om lutning och avskärning kan bestämmas, kan tiden för en viss filtratvolm erhållas som: t utning + Avskärning utning och avskärning bestäms med givna data; t utning t t s/m 5.6 Avskärning utning s/m 3 iden för filtreringen, t SU, kan bestämmas om man vet filtratvolmen vid filtreringens slut, SU. Denna kan beräknas genom kännedom om filterkakans totala volm och filterkvoten c, eftersom; orrsubs tan s i kakan c Filtratvolm SU ρ S ( ε ) A c KAKA ρ S ( ε ) A SU KAKA För kakans volm gäller A KAKA 0.70 m Filterkvoten, c, bestäms enligt; Jρ c ε A - J - - ε A ρ ρ S J ätskans densitet, ρ, bestämsvid filtreringstemperaturen till 97.8 kg/m 3. Detta ger att c kan beräknas till 5. kg/m 3 och SU till 36.9 m 3. Detta ger t SU 9980 s 70 min. b) Specifika filtrermotsåndet, α A, och filtermediets motstånd, R m, kan nu bestämmas ur lutning respektive avskärning om övriga data är kända. α A ΔΔP utning μc R m ΔPA Avskärning μ iskositeten, μ, bestäms vid filtreringstemperaturen till Pas. Datum

25 Då kan α A bestämmas till m/kg samt R m till.4 0 m -. c) När enbart trckfallet ändras påverkas filtreringstiden omvänt proportionellt, t μα ΔΔP c A μr m + ΔPA t μα A ΔΔP C μr m + ΔPA KONS ΔP Detta ger; ΔP t SU, NY t SU 730 s 0 min ΔP NY Svar: a) 70 min b) m/kg.4 0 m - c) 0 min. Datum