Separationsteknik / Separation processes Demo övningar / Demo exercises 1 / R Erlund

Transkript

1 Separationsteknik / Separation processes Demo övningar / Demo exercises 1 / R Erlund ska behandla / will go through 1,2,4,5 1. En blandning (F) som består av x F = 40 mol % bensen (B) and 60 mol % toluen (T) flash destilleras med en hastighet av 10 kmol/h vid totaltrycket 1 atm. Den flytande produkten skall innehålla 30 mol % bensen. Beräkna mängden och sammansättningen för topp (V) och botten (L) produkterna. Den relativa volatiliteten för bensen i blandningen är 2,5. A mixture (F) of x F = 40 mol % benzene (B) and 60 mol % toluene (T) is flash distilled at a rate of 10 kmol/h and 1 atm total pressure. The liquid product should contain 30 mol % benzene. Calculate the amounts and the compositions of the top (V) and bottom (L) products. The relative volatility of benzene in the mixture is 2,5. 2. En lösningsmedelsblandning av MEA (monoetanolamin) och vatten (30% vikt MEA, 70% vikt H 2 O) används i en absorptions / desorptions (stripper) process för att avlägsna CO 2 från naturgas (huvudsakligen CH 4 ). Processförhållanden är 70⁰C 1,5 bar för absorbern, 120⁰C 1,0 bar för stippern. Förutom CO 2 absorberas också en viss mängd CH 4 och under regenerering av sorbenten i strippern frigörs CH 4 återigen med "CO 2 " som i figuren. Under dessa förhållanden är Henry koefficienterna för CH 4 i MEA / vattenlösningar: H CH4 i 30MEA/70H2O = 4000 MPa vid 70⁰C och H CH4 i 30MEA/70H2O = 3400 MPa vid 120⁰C. a. Beräkna den molära fraktionen x CH4 (mol/mol) i vätskan från absorbatorn som har jämvikt med gasfasen som är 98% vol CH 4, 2 % vol CO 2. b. Gasströmmen CO 2 från strippern (120⁰C, 1,0 bar) innehåller 0,1% vol CH 4. Beräkna vilken % av CH 4 som absorberades i absorbatorn desorberas från lösningsmedlet i strippern. A solvent mixture of MEA (monoethanolamine) and water (30 % wt MEA, 70 % wt H 2 O) is used in an absorption / desorption (stripper) process to remove CO 2 from natural gas (mainly CH 4 ). Process conditions are 70⁰C, 1.5 bar for the absorber, 120⁰C, 1.0 bar for the stripper. Besides CO 2, also some CH 4 is absorbed and during the regeneration of the sorbent in the stripper that CH 4 is again released with the CO 2 as in the figure.

2 Under these conditions the Henry coefficients for CH 4 in the MEA/water solutions are: H CH4 in 30MEA/70H2O = 4000 MPa at 70⁰C and H CH4 in 30MEA/70H2O = 3400 MPa at 120⁰C. a. Calculate the molar fraction x CH4 (mol/mol) in the liquid from the absorber that has equilibrium with the gas phase which is 98% vol CH 4, 2% vol CO 2. b. The CO 2 gas stream from the desorber (120⁰C, 1.0 bar) contains 0,1 % vol CH 4. Calculate what % of the CH 4 that was absorbed in the absorber is desorbed from the solvent in the stripper. 3. En destillationskolonn planeras för separeringen av en bensen (BZ) toluen (T) blandning. Tillflödet F = 100 mol/s, där bensenfraktionen x F = 0.4. Produktströmmarna skall bestå av destillat med x D = 0.94 och bottenprodukt med xb = Observera x,y diagrammet och lämna in den tillsammans med dom övriga tentsvaren. a. Beräkna destillat, D, och bottenprodukt, B, strömmarna i mol/s. b. Bestäm det minsta möjliga antalet teoretiska överföringsenheter, N min c. Gas/vätskeförhållandet för förstärkaren (upptill) är L/V = 0.75 (mol/s)/(mol/s) och avdrivaren (nertill) är L /V = Rita driftlinjerna i x,y diagrammet Bestäm antalet teoretiska bottnar och Bestäm andelen tillflöde som förångas i samband med inmatningen. d. Beräknat uppifrån, vid vilken botten sker inmatningen av tillflödet? e. Ge sammansättningen x (mol/mol) för vätskan, L och y (mol/mol) för gasen, V i avdrivardelen på andra botten räknat nerifrån.

3 A distillation column is designed for the separation of a benzene (Bz) toluene (T) mixture. The feed is F = 100 mol/s with benzene molar fraction x F = 0.4, the product streams shall contain benzene fractions x D = 0.94 for the distillate and x B = 0.07 for the bottom product, respectively. See the x,y diagram given on the last page of this exam: hand that in with your answers for this exam. a. Calculate the distillate, D, and bottom product, B, streams, as mol/s. b. Determine the minimum number of theoretical separation stages, N min c. It is given that the vapour/liquid ratio L/V = 0.75 (mol/s)/(mol/s) for the rectifying (top) section, and L /V = 1.52 for the stripping (bottom) section. Draw the operation lines in the x,y diagram, Determine the number of theoretical stages, and Determine the fraction of the input feed material that will produce vapour on the feeding tray, q. d. Counted from the top, what tray number is the feed tray? e. Give the composition x and y (mol/mol) of the liquid L and vapour V in the stripping section, on the second tray as counted from the bottom 4. En 250 kmol/h tvåkomponentblandning F som innehåller 40 % mol isopropyleter (komponent A, kokpunkt 69 C vid 1 atm, M A = 102 g/mol) och isopropanol (komponent B, kokpunkt 82 C vid 1 atm, M B = 60 g/mol) ska genom kontinuerlig destillation separeras i en bottenkolonn. Destillat D med 75 % mol isopropyleter och bottenprodukt B med 95% isopropanol ska produceras. Tillflödeströmmen F är i vätskefas vid kokpunktstemperatur, dvs q = 1, återflödesförhållandet R = 1.5 R min. Densiteten för vätskefasen är ρ L = 790 kg/m 3. Se bifogat jämviktsdiagram; lämna in diagrammet med svaren! a. Beräkna relativa flyktigheten α vid x = x F = 0.4 b. Beräkna ämnesmängdströmmarna destillat D och bottenprodukt B (mol/s), ge resultaten med 1 decimals noggrannhet c. Upprita i x,y diagrammet q linjen och bestäm (grafiskt, eller med Underwood ekvationen) minimala återflöddesförhållandet R min. Bestäm också (grafiskt eller med Fenske ekvationen) minimiantalet teoretiska bottnar i kolonnen N min. d. Upprita i x,y diagrammet driftlinjen för förstärkardelen ( rectifying section ) och för kolonnen ( stripping section ) och bestäm grafiskt antalet teoretiska bottnar i hela kolonnen. Räkna nedåt från punkten (x D,y D ). e. Beräkna, med M G = M L = M A g/mol och temperatur T = 75 C, gas och vätskevolymströmmarna Q G och Q L (m 3 /s). Beräkna, med hjälp av belastningsdiagrammet ( load diagram ) för bottenkolonner (se härnere) distansen mellan bottnar ( tray spacing ) H (m) för gashastigheten v G = 1.5 m/s. Beräkna även kolonnens diameter d (m).

4 1.0 isopropyl ether - isopropanol 1 atm 0.8 y isopropyl ether (mol/mol) x isopropyl ether (mol/mol) A two component mixuture flow F = 250 kmol/h containing 40 % mol isopropyl ether (component A, boiling point 69 C at 1 atm., M A = 102 g/mol) and isopropanol (component B, boiling point 82 C at 1 atm., M B = 60 g/mol) is to be separated by distillation in a tray column. A distillate D of 75 % mol isopropyl ether and a bottom product B of 95 % mol isopropanol must be produced. The feed stream F is a saturated liquid, i.e. q = 1, while the reflux ratio R = 1.5 R min. The density of the liquid phase is ρ L = 790 kg/m 3. See the enclosed equilibrium diagram; hand in the page with the diagram with your answers! a. Calculate the relative volatility α for x = x F = 0.4 b. Calculate the amount flows for distillate D and bottom product B (mol/s), give the result with 1 decimal accuracy c. Draw the q line in the x,y diagram and determine (graphically or with Underwood s equation) the minimal reflux ratio R min. Determine also (graphically or with Fenske s equation) the minimum number of theoretical stages. d. Draw the operating lines for the rectifying section and for the stripping section in the x,y diagram and determine graphically the number of theoretical stages. Calculate downwards, starting at point (x D,y D ). e. Calculate, with M G = M L = M A g/mol and for temperature T = 75 C the volume flows Q G and Q L for the gas and liquid phases (m 3 /s), respectively. Calculate, using the load diagram for tray columns given above, the distance H (m) between the trays ( tray spacing ) for a gas velocity v G = 1.5 m/s. Calculate also the column diameter d (m).

5 5. En forskare vill producera E5 bensin (5% vol etanol (EtOH) + 95% vol bensin), från E10 bensin (10% vol etanol (EtOH) + 90% vol bensin), och samtidigt få en fraktion rik på etanol. En enkel satsvis differentialdestillation används, vid atmosfärstryck, där E10 sakta upphettas tills bottenprodukten består av E5. Jämviktsinformation för det binära systemet EtOH isooktan (i C 8 ) finns tillgängligt för p = 98,5 kpa (J. Chem. Thermodyn. 38 (2006) ). Se den bifogade tabellen och fasdiagrammet baserat på den. a. Visa att molfraktionen för E10 är x EtOH = 0,230, medan den för E5 är x EtOH = 0,125. b. Ge sammansättningen för den första ångan som lämnar kärlet, när vätskan börjar bilda ånga och temperaturen då det sker (anta att p = 98,5 kpa). c. Ge sammansättningen för den ånga som lämnar kärlet, när vätskans sammansättning x EtOH = 0,125 och temperaturen då det sker (anta att p = 98,5 kpa). d. Bestäm värdena α 1 och α 2 för den relativa flyktigheten vid början (x EtOH = 0,125) och slutet av destilleringen (x EtOH =0,230) och beräkna ett medelvärde α avg = ( α 1 α 2 ) utgående från dessa. e. Vad är massan av den E5 som produceras av 1 kg E 10 med den här metoden? f. Om allt destillat kondenseras och samlas som en vätska, vad blir vätskans sammansättning när destilleringen är slut? g. Hur kan destillatvätskan vidareprocesseras till ren EtOH (nära 100%)? Data: molmassa i C 8 = 114 kg/kmol; molmassa EtOH = 46 kg/kmol; densitet EtOH = 790 kg/m 3 ; densitet i C 8 = 730 kg/m 3. A researcher wants to produce E5 gasoline (5 % vol ethanol (EtOH) + 95 % vol gasoline) from E10 gasoline (10 % vol ethanol (EtOH) + 90 % vol gasoline), producing also an ethanol rich fraction. A simple (differential) batch distillation will be used, at atmospheric pressure, slowly heating up E10 until the composition of the still equals that of E5. Equilibrium information for the binary system EtOH iso

6 octane (i C 8 ) is available for p = 98,5 kpa (J. Chem. Thermodyn. 38 (2006) ). See the enclosed Table and phase diagram produced from that. a. Show that for E10 gasoline the molar fraction x EtOH = 0,230, while for E5 gasoline the molar fraction x EtOH = 0,125. b. Give the composition of the first vapour that is released from the still when liquid starts to produce a vapour, and what is the temperature then (assuming p = 98,5 kpa). c. Give the composition of the vapour that is released from the still when liquid composition is x EtOH = 0,125, and what is the temperature then (assuming p = 98,5 kpa). d. Determine the values α 1 and α 2, for the relative volatility at the start (x EtOH = 0,125) and at the end (x EtOH = 0,230), and calculate an average value α avg = ( α 1 α 2 ) from this. e. What is the mass of E5 gasoline that is produced from 1 kg E10 gasoline by this procedure? f. If all distillate is condensed and collected in one liquid, what is the composition of this at the end of the distillation? g. How can the liquid distillate be further processed to a pure (near 100%) EtOH fraction? Data: molar mass i C 8 = 114 kg/kmol; molar mass EtOH = 46 kg/kmol; density EtOH = 790 kg/m 3 ; density i C 8 = 730 kg/m 3. Svar/answer 3. a. F = B + D and F xf = D xd + B xb D = F (xf xb)/(xd xb) = 37.9 mol/s B = 62.1 mol/s b. Graphic: Nmin = 6 left Figure below; (relative volatility is not given, Fenske eq. can t be used) c. Graphic: see right Figure below; number of theoretical stages = ~10 q-line gives q/(1-q) =-2 (see slide 24 of part 4, 2016) q = 2/3 = liquid fraction from the feed gas fraction from the feed = 1 q = 1/3. d. The feed tray is the 6 th tray calculated from the top (or 5 th tray if condenser is an equilibrium stage) e. The composition of the second tray calculated from below (= 9 th tray from the top) = x = 0.12, y = 0.26