CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik Avdelningen för kemiteknik

Transkript

1 CHAMERS EKNISKA HÖSKOA Institutionen för kemi- och bioteknik Avdelningen för kemiteknik KURSNAMN Bisoseprtionsteknik, KAA50 Med förslg till lösningr v beräkningsuppgifter PRORAM: nmn åk / läsperiod Civilingenjörsprogrm bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Ström ID FÖR ENAMEN OKA ördg 6 mj 0, kl M-huset HJÄPMEDE ANS ÄRARE: nmn besöker tentmen telnr DAUM FÖR ANSA v resultt smt v tid och plts för grnskning ÖRI INFORM. lfri räknedos/klkltor med tömt minne. Egn nteckningr och kursmteril är ej godkänt hjälpmedel."dt och Digrm" v Sven-Erik Mörtstedt/unnr Hellsten beller och Digrm v unnr Hellsten "Phsics Hndbook" v Crl Nordling/Jonn Östermn "BEA β" v ennrt Råde/Bertil Westergren Formelbld (vilket bifogts tentmenstesen) Krister Ström c. kl och.00. Svr till beräkningsuppgifter nslås 8 mj på kurshemsidn, studentportlen. Resultt på tentmen meddels tidigst fredg 5 juni efter kl.00 vi e-post. rnskning måndg 8 juni kl smt 0 ugusti kl i seminrierummet, forskrhus II pln. entmen består v en teoridel med ått teorifrågor smt en räknedel med fr räkneuppgifter. Poäng på respektive uppgift finns notert i tentmentesen. För godkänd tentmen fordrs 50% v tentmens totlpoäng. Smtlig digrm och bilgor skll bifogs lösningen v tentmensuppgiften. Digrm och bilgor kn ej kompletters med vid senre tillfälle. Det är Ditt nsvr tt Du besitter nödvändig kunskper och färdigheter. Det mteril som Du lämnr in för rättning skll vr väl läsligt och förståeligt. Mteril som inte uppfller dett kommer tt utelämns vid bedömningen. Betg 3 motsvrr 30-39p, betg 4 motsvrr 40-49p och betg p.

2 Del A: eori A. Mn kn indel seprtionsopertionern enligt olik ktegorier. Ett eempel är tt indel dem i meknisk- och diffusionsopertioner. e eempel på två seprtionsmetoder från respektive tp och därvid utnttjt seprtionsgens! A. För tt beskriv icke-ideliteten i vätskefs vid beräkningr v fsjämvikt nvänds ktivitetsfktorer. Är ktivitetsfktorern lltid större än ett för ett sstem som uppvisr en jämviktskurv enligt nedn? (p) Molbråk ångfs,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,0 0,0 0,00 0 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Molbråk i vätskefs Ökr värdet på ktivitetsfktorn med öknde hlt v komponenten i blndningen då vi betrktr en binär blndning? Är ktivitetsfktorern lik i zeotrop punkten för en binär blndning enligt ovn? (3p) A3. För en indunstningsnläggning med t.e. tre indunstreffekter kn kopplingen v dess görs på olik sätt! ) Beskriv hur ång och vätsk förs melln indunstreffktern i en nläggning med motström resp. medströms lutföring! b) För det fll en överhettd ång skll utnttjs för uppvärmning i ett senre steg; - rför är det en fördel tt mätt den? - Hur kn dett utforms? c) När är det en fördel respektive nckdel tt koppl nläggningen med medströms lutföring? (6p) A4. Förklr hur en tllrikscentrifug fungerr! ör en enkel skiss och bifog någr rder

3 med förklrnde tet! (p) A5. Filtrering kn indels i tre huvudtper; Ytfiltrering Djupbäddsfiltrering värströmsfiltrering Beskriv det krtäristisk för respektive tp v filtrering, smt något (kortfttt) om vilk processitutioner som respektive tp är lämplig! A6. När mn tecknr mterilblnser över t.e. en etrktionsnläggning erhålls en nettoström (fiktiv ström), vilken vi här ntr går åt vänster i figuren nedn. Motiver din svr! Hur hmnr då polen i tringeldigrmmet, över eller under geometrisk orten för etrktströmmrn? d betder det rörnde storleken v strömmen 0 i förhållnde till strömmen? Hur förhåller sig då strömmen till strömmen 3 storleksmässigt? Kn viktbråket mp lösningsmedel vr större än.0 i den fiktiv strömmen? Betder det då tt summ viktbråk är större än.0? (3p) 3 4 A7. ) rför är det gnnsmt med liten prtikelstorlek vid en lkningsopertion? b) d är nckdelen? (5p) (p) A8. e eempel på vätsk-vätsketrktionsutrustning lämpligt för ett sstem som fordrr ) mång jämviktsinstllningr (5 st) och b) få jämviktsinställningr ( st) för en seprtion genom etrktion. I båd fllen kn densitetsskillnden melln fsern nses vr stor. Beskriv också utrustningens utformning kompletterd med en figur! (3p) 3

4 Del B: Problemdel. B. En destilltionskolonn skll dimensioners i vilken en blndning v koltetrklorid och toluen skll seprers. illflödets storlek är 80 kmol/h och smmnsättningen 45 mol-% koltetrklorid och resten toluen. illflödet är kokvrmt och vätskeformigt. De två produktern skll håll 95 mol-% resp. 0 mol-% koltetrklorid. Destilltionen sker vid trcket 00 kp och kolonnen är utrustd med återkokre och totlkondensor smt rbetr vid ett ttre återflödesförhållnde som är.5r min. Hur mång verklig steg fordrs för seprtionen då kolonnverkningsgrden är 80%? ilk produktflöden kn förvänts från destilltionskolonnen? För det fll tillflödet vrit en blndning melln ång och vätsk med ångndelen 65%, vd är då tillflödets q-värde? ilken tempertur hr det kokvrm tillflödet? Jämviktsdigrm för sstemet koltertrklorid-toluen bifogs tentmen. ivn dt: Antoines ekvtion: logp i o (mmhg) A i - Antoinekonstnter: B i o C i +( C) A i B i C i Koltetrklord oluen (0p) B. En ceton-luftblndning innehållnde.5 mol-% ceton sk reducers med 99% genom motströms bsorption med rent vtten. Ingående gsflöde är. kg/m s och ingående flöde v vtten är.5 gånger det minimlt erforderlig vttenflödet. Absorptionen genomförs i en pckd kolonn vid tmosfärstrck och 3 C. Som pckningsmteril nvänds " kermisk Rschigringr. För dett sstem gäller Henrs lg enligt Aceton.75 Aceton. Bestäm erforderlig pckningshöjd för seprtionen! ivn dt: Mssöverföringstl: k kmol/m 3 s tm respektive k s - Mssgenomgångstl: K kmol/m 3 s tm respektive K s - änd! 4

5 Molmssor: Aceton uft tten 58 kg/kmol 9 kg/kmol 8 kg/kmol (p) B3. En fruktjuice sk koncentrers från 0 till 65 vikt-% i en fllfilmindunstre. ösningens kokpunktsförhöjning kn försumms vrför juicen därför kn nts h smm egenskper som vtten. Färskång finns tillgängligt vid mättndstrcket br och indunstren rbetr vid trcket 0.3 br. illflödet håller temperturen C då det påföres indunstren. Från indunstren önsks ett ångflöde på 500 kg/h. Beräkn erforderlig t i indunstren smt behovet v färskång för det fll skenbr värmegenomgångstlet är 800 W/m K (5p) B4. I en tvärströms lkningsnläggning, se nedn, sk.50 kg/s v en snd-slt-blndning hållnde 6.5 vikt-% snd lks med rent vtten. Den mängd rent vtten som tillförs respektive steg är 0.5 kg/s. Underströmmen från vrje steg håller 0.5 kg vtten per kg totlt fst mteril. d blir, för det fll nläggningen omfttr två idel steg, sltkoncentrtionen i utgående underström? Bestäm hlten i en smmntgen etrktström! (0p) öteborg Krister Ström 5

6 Bioseprtionsteknik Formelsmling 6

7 DESIAION nger vätskefssmmnsättning nger ångfssmmnsättning nger lättflktig komponent nger tung komponent Reltiv flktighet: α, där Destilltion: Mterilblnser: D, D n n+ n + DD F, F n+ m m+ m+ m - BB B, W, B W q-linje: q - q + F q 7

8 Beräkning v dimeter för bottenkolonner C F S F F F HA C F where F S {surfce tension fctor} (σ/0) 0. {liquid surfce tension, dne/cm} F F {foming fctor}.0 for mn bsorbers.0 for A F HA h /A 0.0 5(A h /A )+0.5 for 0.06 A h /A 0. A h is the re open to vpour s it penetrtes into the liquid on tr. A is the ctive re for the tr. U ρ ρ / f C ρ U f är gshstigheten vid flödning 8

9 Beräkning v dimeter för pckde kolonner 9

10 0 ABSORPION ätningshstigheten: B W S ρ W > 0-5 m /s för ringr med dimeter melln 5 mm och 75 mm, och för gller med delning mindre än 50 mm. W > m /s för större pckningsmteril. Bindelinjens lutning: P k C k i i Pckningshöjd: id låg hlter: ) ( ) ( ) ( ) ( * * i i d C K d C k l d P K d P k l ) ( ' ) ( ' ) ( ' ) ( ' * * X X X X i Y Y Y Y i X X dx C K X X dx C k l Y Y dy P K Y Y dy P k l id rät driftlinje och rät jämvikts- kurv: ln ln m m m C K l m m m P K l

11 id rät driftlinje och rät jämviktskurv gäller: H O H + m H H O H + m H FIRERIN d dt A P µ ( cα + v AR m SEDIMENERIN ) ρ J c ε v (- J ) - - ε v J ρ ρ s Fri sedimentering: D p ( ρ s ρ) g v 8µ

12 SYMBOFÖRECKNIN: ABSORPION mssöverförnde t per tornvolm, m /m 3 C sb,flood kpcitetsprmeter, ft/s C vätskns totlkoncentrtion, kmol/m 3 e pckningens porositet, - F pckningsfktor, m - F lv flödesprmeter, - g tngdccelertionen, m/s gsflöde, kmol/(m s) gsflöde, kg/(m s) inert gsflöde, kmol/(m s) H höjd svrnde mot en mssöverföringsenhet, gsfilm, m H höjd svrnde mot en mssöverföringsenhet, vätskefilm, m H O höjd svrnde mot en mssgenomgångsenhet, gsfsstorheter, m H O höjd svrnde mot en mssgenomgångsenhet, vätskefsstorheter, m mssöverföringstl, gsfilm, kmol/(m stm) k k K K mssöverföringstl, vätskefilm, m/s mssgenomgångstl bsert på gsfsstorheter, kmol/(m stm) mssgenomgångstl bsert på vätskefsstorheter, m/s vätskeflöde, kmol/(m s) vätskeflöde, kg/(m s) inert vätskeflöde, kmol/s W vätningshstighet, m /s m jämviktskurvns lutning, - P totltrck, tm S B specifik t hos pckningsmterilet, m /m 3 u gshstighet, m/s u nf gshstighet vid flödning (bserd på ktiv re), ft/s molbråk i vätskefs, - X molbråksförhållnde i vätskefs, mol bsorberbrt/mol inert vätsk molbråk i gsfs, - Y molbråksförhållnde i gsfs, mol bsorberbrt/mol inert gs l pckningshöjd, m µ vätskns dnmisk viskositet, Ps µ W dnmisk viskositeten för vtten vid 0 C, Ps ρ gsens densitet, kg/m 3 ρ vätskns densitet, kg/m 3

13 ρ W densiteten för vtten vid 0 C, kg/m 3 σ tspänning, dn/cm (mn/m) FIRERIN A filtreringsre, m c förhållndet melln vikten v det fst mterilet i filterkkn och filtrtvolmen, kg/m 3 J mssbråk v fst mteril i suspensionen, - P trckfll över filterkkn, P R m filtermediets motstånd, m - t filtreringstid, s erhållen filtrtvolm under tiden t, m 3 α v specifikt filtreringsmotstånd, m/kg ε v filterkkns porositet, - µ fluidens viskositet, Ps ρ fluidens densitet, kg/m 3 ρ s fst fsens densitet, kg/m 3 SEDIMENERIN D p prtikelstorlek, m g tngdccelertionen, m/s v prtikelns sedimenttionshstighet, m/s µ fluidens viskositet, Ps ρ fluidens densitet, kg/m 3 ρ s fst fsens densitet, kg/m 3 3

14 B. Dt: Sökt: F 80 kmol/h F 0.45 D 0.95 B 0.0 R.5R min n erklig, D, B, q, F ösning: Antl verklig steg. Övre driftlinjen vid Rmin : n R min R min + n++ D R min + φ min D R min + φ min 0.40 R min.375 R.06 φ 0.3 Övre driftlinjen konstruers från ( D, D ) till (0, φ). Nedre driftlinjen konstruers från ( B, B ) till skärningspunkten melln övre driftlinjen och q-linjen. "Stegning" ger 0.5 idel steg dvs 9.5 idel bottnr smt återkokre. n erklig η 0.80 n erklig st Produktflöden F D + B F F D D + B B q - värdet DF D 3.94 kmol/h B kmol/h q H AP H AP q 0.35 illflödets tempertur F P 00 kp P 760 mmhg o o P P CC4 F P CC4 3. mmhg Antoines ekvtion ger 89.9 C 4

15 B. Dt: 0.05 α kg/m s.75 mp ceton.5 min Sökt: l ( pckningshöjden) ösning: Antg låg hlter, dvs smt 99% sj k utvinns dvs (-0.99) min - m - /.75. M Aceton -(- M uft ) min kmol/m s 0.06 kmol/m s Komponentblns över hel sstemet ger Antgndet om låg hlter kn nses gäll! id rät driftlinje och rät jämviktskurv gäller l K P - m ln -m -m l 8.9 m 5

16 B3. Dt: F P S br P 0.3 br F C 500 kg/h U SKB 800 W/m K Sökt: A, S ösning: B: F + () KB: F F () KE: S H AP U SKB A (3) B: S H AP + Fh F H + h (4) () F F () F + ; ( F -) ; kg/h smt kg/h Entlpi dt P S br S 0.3 C P br 5.06 C h F { F C} c P F h F 9.96 kj/kg h {P 0.3 br} 3.74 kj/kg H {P 0.3 br} kj/kg H AP {P br} 0.39 kj/kg (4) S kg/h (3) A 9. m 6

17 B4. Dt: Sökt: 0.50 kg/s A kg/s S 0.0 S C 4 A, A O ösning: eometrisk ort för underströmmr, OFU S C 4 ; S - A - s 4 ; S 5 (- A) OFU konstruers i tringeldigrm och känd strömmr representers i digrmmet. Sök blndningspunkten M! 0 0 b 53 + b b 59 A 0.5 genom vläsning i dig otlblns: ' b ' 5 0 b' kg/s ;.40 kg/s 5 Sök blndningspunkten M! c 0 d c 3 c + d d 89 A 0.5 genom vläsning i dig smt A 0.06 otlblns: c' d c' d' 90 7

18 0.5 kg/s ;.39 kg/s ( + ) A O A + A A O