Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in.

Transkript

1 Kemitekniska processer Provmoment: adokkod: Tentamen ges för: TentamensKod: Tentamen 118TG Kemiingenjör tillämpad bioteknik 7,5 högskolepoäng Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:0 0 Hjälpmedel: Valfri räknare Enkelt lexikon från modersmål till svenska 1 4 med egna anteckningar. Får ej innehålla härledningar eller lösningar på uppgifter lvarez formelsamling Energiteknik, formelsamling i Ma, Fy, Ke Totalt antal poäng på tentamen: För att få respektive betyg krävs: 3 = 20 p, 4 = 26 p, 5 = 32 p 40 p llmänna anvisningar: Fullständiga och läsbara svar krävs på samtliga uppgifter för att få full poäng OBS! Glöm ej bifoga eventuella diagram med lösningarna äs igenom alla uppgifter. Uppgifterna är nödvändigtvis inte ordnade efter svårighetsgrad. Mer data än vad som är nödvändigt kan ges i uppgifterna. Nästkommande tentamenstillfälle: v Rättningstiden är i normalfall 15 arbetsdagar, till detta tillkommer upp till 5 arbetsdagar för administration, annars är det detta datum som gäller: Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in. ycka till! nsvarig lärare: Telefonnummer:

2 1. En blandning av etanol och vatten ska separeras i en destillationskolonn. Flödet, som innehåller 5 mol% etanol är underkylt med 30 C, och man önskar ett destillatflöde som innehåller 70 mol % etanol samt ett bottenuttag med 0,5 mol% etanol. Kolonnen är utrustad med återkokare och partialkondensor, och bottnarna har en Murphree-verkningsgrad på 80 %. Bestäm antalet verkliga bottnar och placeringen av tillflödet, förutsatt att R = R min * 2 5,0 mol% etanol har följande termodynamiska egenskaper: c P = 0,077 kj mol -1 K -1 λ = 43,7 kj mol -1 Övrig information: samtliga värden för stegningen behöver inte redovisas så länge det framgår hur stegningen utfördes vid de olika punkterna! (8p) 2. I en tankreaktor skall 6500 ton av produkten P produceras per år genom nedanstående reaktion + B 2P Reaktionen genomförs isotermt i vätskefas och är av andra ordning enligt r = - kccb kmol/m 3 min, där k = 4,3 m 3 /kmol h Densiteten för lösningen kan anses vara konstant under reaktionen. a) Vad menas med en ideal tankreaktor? (1p) b) Beräkna tankreaktorns volym samt det volymsflöde som krävs om koncentrationen av och B i reaktorns tillflöde är 2,5 kmol/m 3 vid omsättningen 85%. (4p) c) Beräkna tankreaktorns volym samt det volymsflöde som krävs om koncentrationen av B i reaktorns tillflöde ändras till 3,2 kmol/m 3. (2p) d) Om reaktionen sker i en tubreaktor och är autokatalytisk, d.v.s har hastighetsuttrycket r = -kc C BC P återcirkulerar man oftast en del av produktflödet ut från reaktorn. Förklara varför. (2p) Data: Molmassa av P: 80 g/mol 3. Till ett 2,0 m högt packat absorptionstorn går ett gasflöde på 0,20 kmol/s som innehåller 2,0 vol% av det miljöfarliga ämnet OOPS. I nuläget tillsätts 0,40 kmol/s vatten som tvättvätska som innehåller 0,010 mol% OOPS, vilket resulterar i att 95 % av det OOPS som finns i gasflödet absorberas. Nya strängare krav från myndigheterna gör att mängden OOPS som ska absorberas måste ökas till 99 %. v företaget i fråga får du i uppgift att bestämma hur mycket absorptionstornet behöver förlängas för att uppfylla kraven, förutsatt att de ingående gas- och vätske-flödet är konstanta. Observera också att kolonnens tvärsnittsarea och tryck är oförändrat. Jämvikten mellan gasfas och vätskefas för OOPS kan beskrivas som (uttryckt i molbråk) y = x (7p) 2

3 4. I ett kondensorkraftverk, se nedanstående figur, producerar pannan en ånga med trycket 42 bar och temperaturen 480 o C. Ångan leds till en turbin, där en viss del av ångan tappas av till en matarvattenförvärmare (matarvattentank) vid trycket 4 bar. Resten expanderar i turbinen till trycket 0,03 bar. Övriga driftdata ges i nedanstående tabell. 1 Ångpanna 2 3 Kondenso Tabell över driftdata Ström Tryck bar Temp o C Massflöde kg/s Övrigt ,4 3 0,03 0,15kg fuktig ånga/kg ånga. Entalpin är 2178 kj/kg 4 Mättad vätska 5 4 Entalpin är 113 kj/kg 6 Mättad vätska För turbinen gäller: mekanisk verkningsgrad 0,92 och generatorverkningsgraden 0,95 lla tryckfall i systemet kan försummas. a) Beräkna turbinens inre effekt, samt hur mycket el som turbinen producerar. (4p) b) Visa att ångans entalpi i turbinutloppet är 2178 kj/kg (1p) c) Beräkna den minsta tillförda effekt som pannan måste överföra till vattnet för att producera den överhettade ångan i anläggningen ( =inga förluster). Motivera eventuella approximationer. Dåliga approximationer ger poängavdrag. (2p) d) Varför förvärms matarvattnet? (1p) 3

4 5. I en process som involverar 3 reaktorer, 2 återcirkulationer och en separator produceras ämnet P från ämnena, B och D enligt nedan: Purge 2,0 kmol/min 2,0 kmol/min B R. 1 R. 2 R. 3 Sep. P 2,0 kmol/min D Reaktor 1: + 2B C Reaktor 2: C + 2D 2E Reaktor 3: 2E + P Totalomsättningen för är 92,5 % Totalomsättningen för B är 95 %, och enkelomsättningen i reaktor 1 är 30 % Totalomsättningen för D är 90 % Separatorn producerar en i princip helt ren produktström av ämnet P. Bestäm mängden produkt P som lämnar processen och storleken på purge-strömmen. (8p) 4

5 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Etanol/vatten 101 kpa 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 x etanol yetanol

6 Turbin Ångkraftscykel Kondensor (inner arbete för turbin) q bortf = = (i) kondensor Ångpanna q tillf = =(i) ångpanna Total verkningsgrad tot = Pump v 1 * (p 2 p 1 )w p(isentrop) =(i) pump Kondenskraftanläggningar Teoretiska termiska verkningsgrad tt = å tot = tt * s * p * m * g * r * e = Nettoeleffekt, P n = Turbinens isentropiska verkningsgrad Pannverkningsgrad s = p = å Turbinens mekaniska verkningsgrad m = = Effekt vid turbinaxel Elgeneratorverkningsgrad g = = brutto eleffekt vid generatorklämmorna Rörledningsverkningsgrad Egenförbrukningsfaktor r = å nläggningens totala verkningsgrad tot = e = - = Hjälpmaskinerites effektförbrukning Mottrycksanläggningar

7 Formelsamling i kemiteknik Ånga-vätska jämvikter : ideala system Daltons lag: P y P Raults lag: P x P Definition av relativ flyktighet y x B x B y yb 1 ( B 1) x x B ntoines ekvation B log P i i i ( t Ci ),B och C är ämnesspecifika konstanter t är temperaturen i C för C gäller att Ånga -vätska jämvikter Icke-ideala system: Daltons lag: P y P Raults lag: P x P Wilsons ekvationer: ln - ln( x x ) x B B B ln - ln( x x ) x B B B B B där x xb B xb x B är Ämnesspecifika Wilsonparametrar Symbolförteckning för ånga-vätska jämvikter

8 2 P = partialtrycket för komponent P= totaltrycket P = ångtrycket för rent y B = molbråket av komponent B i gasfasen x B = molbråket av komponent B i vätskefasen y = molbråket av komponent i gasfasen x = molbråket av komponent i vätskefasen = aktivitetsfaktorn för komponent B = aktivitetsfaktorn för komponent B Destillation Mc- Cabe Thieles metod Förstärkarens arbetslinje = övre driftlinjen: y n n V x D V x 1 n n n R x x R 1 1 R 1 D n D y = x V + D x V = R R+1 x + 1 R+1 x där R n D vdrivarens arbetslinje = undre driftlinjen: y = V x W V x Tillflödeslinjen: y q där q q x x F q 1 1 q H fs H f värme att förånga ett mol tillflöde q Symbolförteckning för destillation: F= tillflödesström, kmol/s

9 3 D= destillatström, kmol/s W=bottenproduktström, kmol/s R=yttre återflödesförhållandet q=förhållandet mellan värmemängd att förånga 1 mol av tillflödet och molära ångbildningsentalpiteten H fs =entalpin hos en mol kokvarm vätska H f = entalpin hos en mol tillflöde = ångbildningsentalpiteten =vätskeström, kmol/s V=ångström, kmol/s x= molbråk i vätskefasen y= molbråk i gasfasen indexförteckning: D=destillat F=tillflöde W=bottenprodukt m=nummer på botten n=nummer på botten Murphree bottenverkningsgrad E mv y y n e y y n1 n1 y n = ångans sammansättning ut från botten y n-1 =ångans sammansättning in till botten y e = ångans sammansättning då denna är i jämvikt med vätskan, som lämnar botten.

10 4 bsorption Driftlinje Samband mellan halterna hos varandra passerande strömmar: Y = V X V X +Y där Y n =f (X n ) däry y x och X 1 y 1 x Bindelinje y x i i y x kac k ap G T Tornhöjd Vid låga koncentrationer i faserna och rät jämviktskurva gäller Z Z V 1 yin mxut ln KGaSP mv 1 yut mxin 1 yin mx ln K asct 1 yut mx mv u1 in Sambanden mellan H G, H, H OG, H O samt k G a, k a, K G a, K a då jämviktkurvan är rät mg H H H 1 1 mp K a k a k ac OG G G G T H H mg H O G 1 1 CT K a k a mk ap G

11 5 Vätninghastigheten G u w a a w w m m 2 2 / s förringarmellan25och75mmoch" Grids" / s förövriga packningsmaterial radmellanrum 50mm Symbolförteckning för absorption : S = kolonnens tvärsnittsyta, m 2 a = specifik massöverföringsyta, m 2 /m 3 C T = vätskans totalkoncentration, kmol/m 3 V s = inert gasflöde, kmol/m 2 s V = gasflöde, kmol/m2s H G = massöverföringsenhet-gasfilm, m H OG = massgenomgångssenhet-gaskoncentration, m H = massöverföringsenhet-vätskefilm, m H O = massgenomgångssenhet-vätskekoncentration, m k G = massöverföringstal-gasfilm, kmol/m2 s,atm K G = massgenomgångstal-gaskoncentration, kmol/m2 s,atm k = massöverföringstal-vätskefilm, m/s K = massgenomgångstal-vätskekoncentration, m/s = vätskeflöde, kmol/m 2 s s = inert vätskeflöde, kmol/m 2 s G = vätskeflöde, kg/m 2 s m = lutningen på jämviktskurvan (y=mx) N ig = antal massöverföringsenheter-gaskoncentration N i = antal massöverföringsenheter-vätskekoncentration

12 6 N OG = antal massgenomgångsenheter-gaskoncentration N O = antal massgenomgångsenheter-vätskekoncentration P = totaltryck, atm a= specifik packningsyta, m 2 /m 3 u G = gashastighet (hela kolonnytan), m/s u = vätskehastighet (hela kolonnytan), m/s X= mol absorberbart ämne i vätskefasen/mol inert ämne i vätskefasen, kmol/kmol Y= mol absorberbart ämne i gasfasen/mol inert ämne i gasfasen, kmol/kmol x= molbråk i vätskefasen y=molbråk i gasfasen z= packningshöjd, m =vätskedensitet, kg/m 3 Reaktionsteknik rrheniusekvationen k e E / RT k = hastighetskonstanten E = ktiveringsenergin J/mol = Frekvensfaktorn R= llmänna gaskonstanten=8,314 J/mol,K T = Temperaturen, K Övrigt

13

14

15

16

17