CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik

Transkript

1 CHAMERS EKNISKA HÖGSKOA Institutionen för kemi- och bioteknik KURSNAMN Bisoseprtionsteknik, KAA50 Med förslg till lösningr v beräkningsuppgifter. PROGRAM: nmn åk / läsperiod Civilingenjörsprogrm bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Ström ID FÖR ENAMEN OKA Onsdg 5 pril, kl V-slr HJÄPMEDE ANSV ÄRARE: nmn telnr besöker tentmen DAUM FÖR ANSAG v resultt smt v tid och plts för grnskning ÖVRIG INFORM. Vlfri räknedos/klkltor med tömt minne. Egn nteckningr och kursmteril är ej godkänt hjälpmedel."dt och Digrm" v Sven-Erik Mörtstedt/Gunnr Hellsten beller och Digrm v Gunnr Hellsten "Phsics Hndbook" v Crl Nordling/Jonn Östermn "BEA β" v ennrt Råde/Bertil Westergren Formelbld (vilket bifogts tentmenstesen) Krister Ström c. kl och 6.30 ösningr till tentmens räknedel nslås på kurshemsidn 5 pril. Resultt på tentmen nslås pril. Grnskning torsdg 3 pril smt 8 pril kl i seminrierummet, forskrhus II pln eller efter överenskommelse med emintor. 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.

2 Del A: eoridel A. Vd är det som gör tt det iblnd går tt skilj två ämnen i en blndning med hjälp v destilltion? (p) A. Förklr vd som mens med ttre återflödesförhållndet i en destilltionsnläggning, smt vis med hjälp v ett digrm hur destilltets hlt v lättflktig komponent vrierr med återflödesförhållndet för en given kolonn. (3p) A3. Skiss bubbel-dggpunktskurvn smt jämviktskurvn för en binär blndning som hr minimizeotrop! (p) A4. Vrför är en destilltionskolonn försedd med återkokre och kondensor? (3p) A5. Vilk egenskper sk bsorptionsvätskn, vid en bsorptionsprocess, h i fråg om löslighet, flktighet och viskositet? Motiver svren kortfttt! (3p) A6. På vd sätt skiljer sig strukturerd pckning från en så klld slumpvis ordnd pckning v te Pllringr? Ange någr fördelr med strukturerd pckning! A7. Nämn minst tre fktorer som påverkr etrktionshstigheten vid fst fs-vätskeetrktion. Förklr också på vilket sätt dess tre fktorer påverkr etrktionshstigheten. (4p) (5p) A8. Nämn och diskuter minst tre fktorer som mn särskilt skll bekt, när det gäller tt åstdkomm effektiv vätsk-vätsketrktion! (4p)

3 Del B: Problemdel. B. En blndning v etnol och n-propnol seprers i en kontinuerlig rbetnde vdrivrkolonn, till en hög renhet v n-propnol 99.5 mol-%. Det inre återflödesförhållndet (/V) är 3.0. Bestäm med Sorels metod smmnsättningen hos utgående topprodukt när vdrivrkolonnen hr tre idel ventilbottnr! Seprtionen genomförs vid 760 mmhg och den reltiv flktigheten kn nses konstnt. Givn dt: Antoines ekvtion: lnp i o (mmhg)a i - B i K +C i A i B i C i Etnol n-propnol B. I en processnläggning nvänds ett pckt torn för motströms bsorption v en gskomponent i en vätsk. ornets pckningshöjd är 4.0 m och dimetern 80 cm. I dgsläget är tornet fllt med ½ kermisk Rschigringr (S B 0 m /m 3, e0.73). ill tornet förs ett vätskeflöde på.0 kg/s, och gshstigheten genom tornet är.75 m/s. (Flöden kn nses vr konstnt genom tornet.) På grund v en ändring i ett tidigre processteg så kommer gsflödet till kolonnen tt ök till det dubbl. Kn mn fortsätt tt nvänd det befintlig pckningsmterilet, utn tt mn riskerr tt kolonnen flödr? Mn hr fundert på tt bt ut pckningsmterilet till 4 kermisk Rschigringr (S B 46 m /m 3, e 0.80). Skulle det gå tt nvänd dett pckningsmteril vid det n flödet? Bekt gshstighet vid flödning och vätningshstighet! Givn dt: rck tm empertur 0 C Vätskns densitet 00 kg/m 3 Vätskns dnmisk viskositet kn nts vr försumbrt skild ifrån dnmisk viskositeten för vtten vid smm tempertur. Molmssn för gsfsen kn sätts till molmssn för luft. (4p) (9p) 3

4 B3. En ntriumhdroidlösning skll koncentrers i en indunstre. illflödet, 4536 kg/h, håller 0 vikt-% NOH och hr temperturen 60 C. Mn önskr tt den koncentrerde lösningen som lämnr indunstreffekten skll håll 50 vikt-% NOH. Färskångn håller trcket.7 br och trcket i ångrummet är 0. br. Det skenbr värmegenomgångstlet är 560 W/m K. Beräkn erforderligt behov v färskång smt erforderlig värmeöverförnde t. Dühringdigrm för kokpunktsförhöjning och entlpidigrm för vttenlösningr med NOH bifogs. (6p) B4. I en tvärströms etrktionsnläggning med två steg rens en vttenström, 00 kg/h, från pridin genom etrktion med ren klorbensen. Ingående underström till nläggningen håller 0 vikt-% pridin och resten vtten. ill vrje steg förs 5 kg/h ren klorbensen. Hur stor ndel v pridin i ingående vttenström etrhers bort? ringeldigrm med lösningskurv smt jämviktsdigrm bifogs tentmentesen (6p) Göteborg Krister Ström 4

5 Bioseprtionsteknik Formelsmling 5

6 DESIAION Reltiv flktighet: α, där nger vätskefssmmnsättning nger ångfssmmnsättning nger lättflktig komponent nger tung komponent Destilltion: Mterilblnser: D, D n Vn+ n + DD F, F n+ m m+ Vm+ m - BB W, B, BW q-linje: q -q F + q 6

7 7

8 8

9 9 ABSORPION Vätningshstigheten: 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 G i i Pckningshöjd: Vid låg hlter: ) ( ) ( ) ( ) ( * * i G i G d C K d C k l d P K V d P k V l ) ( ' ) ( ' ) ( ' ) ( ' * * X X X X i Y Y G Y Y i G X X dx C K X X dx C k l Y Y dy P K V Y Y dy P k V l Vid rät driftlinje och rät jämvikts- kurv: ln ln m m V m C K l m m V m P K V l G

10 Vid rät driftlinje och rät jämviktskurv gäller: H OG H G m G + H H O H + H m G G FIRERING dv dt A ΔP μ( cα V + v AR m SEDIMENERING ) ρ J c ε v (- J ) - - ε v J ρ ρ s Fri sedimentering: D p ( ρ s ρ) g v 8μ 0

11 SYMBOFÖRECKNING: 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 V gsflöde, kmol/(m s) G gsflöde, kg/(m s) V inert gsflöde, kmol/(m s) H G höjd svrnde mot en mssöverföringsenhet, gsfilm, m H höjd svrnde mot en mssöverföringsenhet, vätskefilm, m H OG höjd svrnde mot en mssgenomgångsenhet, gsfsstorheter, m H O höjd svrnde mot en mssgenomgångsenhet, vätskefsstorheter, m k G mssöverföringstl, gsfilm, kmol/(m stm) k mssöverföringstl, vätskefilm, m/s K G mssgenomgångstl bsert på gsfsstorheter, kmol/(m stm) K 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 G 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 G gsens densitet, kg/m 3 ρ vätskns densitet, kg/m 3 ρ W densiteten för vtten vid 0 C, kg/m 3 σ tspänning, dn/cm (mn/m)

12 FIRERING 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, - ΔP trckfll över filterkkn, P R m filtermediets motstånd, m - t filtreringstid, s V 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 SEDIMENERING 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

13 ösningens tempertur 00 C 40 C 60 C 80 C 0 C 00 C 80 C 60 C 40 C 0 C Vikts-% NOH Entlpi för lösningen [kj/kg] 3

14 vikts-% NOH Kokpunkt för vtten [ C] Kokpunkt för lösningen [ C] 4

15 B. Dt: n 3 V 3.0 B P 760 mmhg Sökt: D ösning: F, F D, D 3 V B, B Sorels metod: Komponentblns och jämviktsvillkor löses till dess tre idel bottnr hr uppnåtts. Jämviktsvillkor: α, konst. α, α, P o o Ångtrcken P o P och P o bestäms vid en rimlig tempertur. Vilken? emperturen i återkokren t smmnsättningen känd ut från återkokren. Bottenprodukten håller 99.5 mol-% n-propnol vrför temperturen är när kokpunkten för ren n-propnol vid 760 mmhg är kokpunkten för n-propnol K eller 97. C. Etnol hr vid motsvrnde tempertur ångtrcket P o mmhg α, P o P o α.04 Jämviktsvillkoret kn då teckns:. där n nger bottennummer. och inte komponentnummer som tidigre. 5

16 Komponentblns: Komponentblnsen kn på llmän form teckns n V n- +B B B -V Dett ger n V n- + - V B n n- + B Beräkning: n n n oppen nådd då D 3 opprodukt håller.7 mol-% etnol! Svr:.7 mol-% etnol 6

17 B. Dt: l 4.0 m Φ 0.80 m I dg: ½ kermisk Rschig ringr: S B 0 m /m 3, e 0.73 A.0 kg/s u G.75 m/s Ntt mteril: 4 kermisk Rshig ringr: S B 46 m /m 3, e 0.80 P tm 0 C ρ 00 kg/m 3 μ μ W M G M uft 8.96 kg/kmol Sökt: Om gsflödet öks till det dubbl, kommer då kolonnen tt flöd? Kn mn nvänd 4 pcknings mteril? ösning: Gmmlt flöde: Ntt flöde: V VO u G A där A πφ m V VO m 3 /s VA V VO ρ G ρ G PM G.04 kg/m3 R VA kg/s VA kg/s Flödningskorreltion, fig 4. i bifogd formelsmling nvänds Abskiss: Ordint:, V ρ G ρ Gmmlt pckningsmteril: μ. 0.9 μ u G,fl u G,fl.47 m/s u G V A ρ G A m/s u G > u G,fl Fungerr inte! 7

18 Ntt pckningsmteril: u G,fl u G,fl 4.57 m/s u G 3.50 u G,fl OK! Vätningshstighet: ' W ρ S B m/s W > m/s OK! Svr: Mn kn inte nvänd ½ kermisk Rschigringr. Mn kn nvänd 4 kermisk Rschigringr. 8

19 B3. Dt: F 4536 kg/h F 0.0 X 0.50 F 60 C P S.7 br P 0. br U SKB 560 W/m K Sökt: S, A ösning: P P V S, P S VAP,S otlblns: F V + () Komponentblns: F F () () X F F 84.4 kg/h () V 7.6 kg/h F Värmeblns: SΔH VAP,S + Fh F VH V + h (3), Entlpier söks för tt kunn bestämm S! P S.7 br S 5.7 C (Dt & Digrm) Duringdigrm ger tt β 37.3 C smt tt den 50%-ig lösningens temperture är 85 C. ΔH VAP,S {.7 br} 5.9 kj/kg 9

20 h F { 60 C, f 0.0} 0 kj/kg H V {P0. br, 85 C} kj/kg h { 685 C, 0.50} 490 kj/kg Värmeblnsen ger S 337 kg/h Erforderlig värmeöverförnde t ges v kpcitetsekvtionen Kpcitetsekvtionen ger A 4.3 m SΔH VAP,S U SKB AΔ (4) Δ Svr: 337 kg/h, 4.3 m 0

21 B4. Dt: A C V 0 5 kg/h 0 00 kg/h Sökt: Hur stor ndel v inkommnde pridin etrhers bort? ösning: V 0 V 0 0 V V Steg Blndningspunkt 0 V 0 b.6 mm A b 08 b 86.4 mm A V 0 + V + V 5 kg/h 56 V Steg Blndningspunkt 90.9 kg/h ; V 34. kg/h 0 α V 0 β α.6 mm A α+β 08 β 86.4 mm A V 0 + V + V 5.9 kg/h 6 V 85. kg/h ; V 30.7 kg/h Andel som etrherts bort: Svr: 64% 0 A 0 - A 0 A %