CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik

Transkript

1 CHAMERS EKNISKA HÖGSKOA Institutionen för kei- och bioteknik KURSNAMN Bisoseparationsteknik, KAA50 Med förslag till lösningar av beräkningsuppgifter PROGRAM: nan åk / läsperiod Civilingenjörsprogra bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Strö ID FÖR ENAMEN OKA orsdag 8 augusti, kl salar HJÄPMEDE ANS ÄRARE: nan telnr besöker tentaen DAUM FÖR ANSAG av resultat sat av tid och plats för granskning alfri räknedosa/kalklator ed töt inne. Egna anteckningar och kursaterial är ej godkänt hjälpedel."data och Diagra" av Sven-Erik Mörtstedt/Gunnar Hellsten abeller och Diagra av Gunnar Hellsten "Phsics Handbook" av Carl Nordling/Jonn Österan "BEA β" av ennart Råde/Bertil Westergren Forelblad (vilket bifogats tentaenstesen) Krister Strö ca. kl och 6.30 ösningar till tentaens räknedel anslås på kurshesidan 8 augusti. Resultat på tentaen anslås 5 septeber. Granskning torsdag 6 septeber kl i seinarieruet, forskarhus II plan eller efter överenskoelse ed eainator. ÖRIG INFORM. entaen består av teoriproble, del A, och en beräkningsdel, del B. Ofattningen av del A är ca 40% av totalpoängen på tentaen Poäng på respektive uppgift finns noterat i tentaenstesen. För godkänd tentaen fordras 50% av tentaens totalpoäng. entaen består av åtta teori- och fra besräkningsuppgifter Satliga diagra och bilagor skall bifogas lösningen av tentaensuppgiften. Diagra och bilagor kan ej kopletteras ed vid senare tillfälle. Det är Ditt ansvar att Du besitter nödvändiga kunskaper och färdigheter. Det aterial so Du länar in för rättning skall vara väl läsligt och förståeligt. Material so inte uppfller detta koer att utelänas vid bedöningen.

2 Del A: eori A. Du ska bestäa ett jäviktsvilkor för jävikt ellan ånga och vätska för binärt sste so är azeotropt! Hur forulerar du jäviktsvillkoret? Ge förslag på relevanta korrelationer so fordras för att genoföra en daggpunktsberäkning! Hur löser du daggpunktsberäkningen? A. värr otsvarar inte en verklig botten i en destillationskolonn ett idealt jäviktssteg utan an åste använda någon tp av korrektion. En sådan är bottenverkningsgraden enligt Murphree. Hur definieras den? Hur genoförs en stegning ed E M resp E M? Dvs. Murphree verkningsgraden uttrckt för ång- resp.vätskefas. I figuren nedan är två ideala steg inlagda. Hur skulle det bli för de båda fallen ed botten-verkningsgrad? (5p) A3. Från figuren se nästa sida, hätad från Seader & Henle Separation Process Principles, förklara vad so sker i en absorptionskolonn i orådet ellan belastningslinjen och flödningslinjen. Kolonnen är utrustad ed packningsaterialet Bialecki ringar och kolonnen arbetar enligt givna specifikationer i figuren. Motivera svaret! änd (4p) Datu

3 (3p) A4. Förklara varför det är viktigt att kontrollera vätningshastigheten när an diensionerar en absorptionskolonn! (p) A5. a) ad innebär det specifika filtrerotståndet, α? arför brukar an oftast använda ett edelvärde, α av? b) Nange ett kontinuerligt filter och beskriv kortfattat dess funktion. (4p) A6. Rita ett diagra so visar hur trckfallet över en partikelbädd varierar ed gashastigheten geno bädden! Diagraet ska täcka orådet från vilande bädd till pulserande! Markera följande i diagraet; a) Orådet för bubblande bädd b) Orådet för fast bädd c) ägsta gashastigheten för fluidisation (3p) A7. id grafisk beräkning och illustration av en lakningsoperation, te för ett fall enligt figur på nästa sida, utnttjas ett triangeldiagra visande lösningsedel, S, löst substans, A, och fast inert aterial, C. För att beskriva i aterialbalansens for ett nettoflöde ellan enheterna införs en strö R. Hur ska an tolka att R har ett negativt värde? ad är villkoret att ströarna till n+ ligger på triangelns hpotenusa? Kan ströarna 0 till n ligga på katetern AC? ad är villkoret för jäviktsbegreppet vid lakning? Datu änd 3

4 3 n+ 0 n- n n (4p) Datu

5 Del B: Beräkningsuppgifter B. En blandning av de organiska koponenterna A och B separera i en kontinuerligt arbetande destillationskolonn. Kolonnen är utrustad enligt figur nedan. illflödet (F), 00 kol/h, är kokvar vätska och håller 50 ol-% av vardera koponenten. Ströen 0 är vätskeforig kokvar ren koponent A. Man önskar en topprodukt so håller 95 ol-% A och bottenprodukten får aialt innehålla 0 ol-% A. Förhållandet ellan vätske- och ångflödet (/-förhållandet) i destillationskolonnens förstärkardel är Beräkna ed Sorels etod hur ånga ideala steg so fordras för separationen! Hur cket ångforig produkt erhålls? Relativa flktigheten för ssteet A-B vid aktuellt trck är , 0 D, D F, F W, W (0p) B. uft innehållande ol-% aoniak, vid 5ºC och at ska tvättas ed vatten i en packad kolonn innehållande keraiska Intalosadlar. Påförd ängd rent vatten ska var 0000 kg/h och ingående gasflöde 000 kg/h. Antag att teperaturen i kolonnen är konstant vid 5ºC och att gasens löslighet följer Henrs lag, P Aoniak Η Aoniak där P Aoniak är partialtrcket av aoniak i luften Aoniak ärolandelen aoniak i lösningen Η är Henrs konstant änd Datu

6 Under de betingelser so gäller för absorptionsprocessen är Henrs konstant.7 at/olandel. Beräkna a) erforderlig packningshöjd o 90% av aoniaken ska absorberas! b) inialt erforderligt vätskeflöde o 98% av aoniaken ska absorberas! Antagande: Antag att H og för detta fal är 0.9. (9p) B3. En natriuhdridlösning ska koncentreras i en indunstare. illflödet 4500 kg/h, håller 5 vikt-% NaOH och har teperaturen 60ºC. Man önskar att den koncentrerade lösningen so länar indunstareffekten ska hålla 55 vikt-% Färskångan håller trcket. bar och trcket i övre lutruet är 0.0 bar. Det skenbara väregenogångstalet är 560 W/ K. Beräkna erforderligt behov av färskånga sat erforderlig väreöverförande ta! Düringdiagra för kokpunktsförhöjning och entalpidiagra för vattenlösningar ed NaOH bifogas. (8p) B4. I en lakningsanläggning bestående av tre ideala steg, utvinner an olja ur boullsfrön. ill anläggningen förs kg boullsfrö per sekund, hållande 30 vikts% olja och resten inert aterial. Den utgående etraktfasen, kg/s, håller 50 vikts% olja. Mellan varje steg kvarhåller det inerta aterialet kg lösning per kg inert aterial. Medrckningen av inert aterial i överströarna kan anses vara försubar. ad har den ingående etraktfasen för saansättning? Hur stor andel av den olja so förs in till anläggningen ed boullsfröna finns kvar i utgående raffinatströ? 8p) Göteborg Krister Strö Datu

7 Bioseparationsteknik Forelsaling Datu

8 DESIAION Relativ flktighet: α, där anger vätskefassaansättning anger ångfassaansättning anger lättflktig koponent anger tung koponent Destillation: Materialbalanser: D, D n n+ n + DD F, F n BB W, B, B W q-linje: q -q + F q Datu

9 Datu

10 Datu

11 Datu ABSORPION ätningshastigheten: B W S ρ W > 0-5 /s för ringar ed diaeter ellan 5 och 75, och för galler ed delning indre än 50. W > /s för större packningsaterial. 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

12 Datu id rät driftlinje och rät jävikts- kurva: ln ln C a K l P a K l G id rät driftlinje och rät jäviktskurva gäller: G O G OG H G H H H G H H + + FIRERING ) ( av AR c P A dt d + Δ α μ s av av J J J c ρ ρ ε ε ρ - - ) (- SEDIMENERING Fri sedientering: μ ρ ρ 8 ) ( g D v s p

13 SYMBOFÖRECKNING: ABSORPION a assöverförande ta per tornvol, / 3 C sb,flood kapacitetsparaeter, ft/s C vätskans totalkoncentration, kol/ 3 e packningens porositet, - F packningsfaktor, - F lv flödesparaeter, - g tngdaccelerationen, /s gasflöde, kol/( s) G gasflöde, kg/( s) inert gasflöde, kol/( s) H G höjd svarande ot en assöverföringsenhet, gasfil, H höjd svarande ot en assöverföringsenhet, vätskefil, H OG höjd svarande ot en assgenogångsenhet, gasfasstorheter, H O höjd svarande ot en assgenogångsenhet, vätskefasstorheter, k G assöverföringstal, gasfil, kol/( sat) k assöverföringstal, vätskefil, /s K G assgenogångstal baserat på gasfasstorheter, kol/( sat) K assgenogångstal baserat på vätskefasstorheter, /s vätskeflöde, kol/( s) vätskeflöde, kg/( s) inert vätskeflöde, kol/s W vätningshastighet, /s jäviktskurvans lutning, - P totaltrck, at S B specifik ta hos packningsaterialet, / 3 u G gashastighet, /s u nf gashastighet vid flödning (baserad på aktiv area), ft/s olbråk i vätskefas, - X olbråksförhållande i vätskefas, ol absorberbart/ol inert vätska olbråk i gasfas, - Y olbråksförhållande i gasfas, ol absorberbart/ol inert gas l packningshöjd, μ vätskans dnaiska viskositet, Pas μ W dnaiska viskositeten för vatten vid 0 C, Pas ρ G gasens densitet, kg/ 3 ρ vätskans densitet, kg/ 3 ρ W densiteten för vatten vid 0 C, kg/ 3 σ tspänning, dn/c (N/) Datu

14 FIRERING A filtreringsarea, c förhållandet ellan vikten av det fasta aterialet i filterkakan och filtratvolen, kg/ 3 J assbråk av fast aterial i suspensionen, - ΔP trckfall över filterkakan, Pa R filterediets otstånd, - t filtreringstid, s erhållen filtratvol under tiden t, 3 α av specifikt filtreringsotstånd, /kg ε av filterkakans porositet, - μ fluidens viskositet, Pas ρ fluidens densitet, kg/ 3 ρ s fasta fasens densitet, kg/ 3 SEDIMENERING D p partikelstorlek, g tngdaccelerationen, /s v partikelns sedientationshastighet, /s μ fluidens viskositet, Pas ρ fluidens densitet, kg/ 3 ρ s fasta fasens densitet, kg/ 3 Datu

15 vikts-% NaOH Kokpunkt för vatten [ C] ösningens teperatur 00 C 40 C 60 C 80 C 0 C 00 C 80 C 60 C 40 C 0 C ikts-% NaOH Kokpunkt för lösningen [ C] Entalpi för lösningen [kj/kg] Datu

16 Datu

17 Datu

18 B. Data: Sökt: F 00 kol/h F D 0.95 B 0.0 / 0.75 α 3.0 Antal ideala steg sat destillatflödet. ösning: 0, 0 D, D F, F + n+ n W, W Konstanta olära flöden antas dvs D sat 0 och + F otalbalans: Kop.balans F + 0 D + B F + + B () F + + B () F 0 D B Givet förhållande: 0.75 (3) () & (3) F W ; W F 0.5 (4) () & (4) F F D + (F 0.5) B (5) F F F B (5) 8.57 kol/h D W D 8.57 kol/h För att lösa koponentbalanserna över avdrivar- och förstärkardel fordras satliga flöden! Datu

19 Beräkning av flöden! 8.57 kol/h kol/h + F 7.43 kol/h W 4.86 kol/h Koponentbalans över avdrivardelen sstegräns enligt skiss ovan + B n+ n B B n + n + B ; n n (6) Koponentbalans över förstärkardelen sstegräns enligt skiss ovan F + B F + + B (B B F F ) + + ; (7) Jäviktsabandet kan tecknas utifrån relativa flktigheten n α 3 n n ; n + (α ) n + (8) n Inde n gäller i avdrivardel och i förstärkardel! Sorels etod utnttjas ed beräkning nedifrån ed ekvation (6) och (8) till dess avbrottskriteriet F uppnås då ekvation (7) och (8) utnttjas till dess D uppnås! Beräkningarna salas i tabell enligt nedan., n, n, För att genoföra separationen fordras fe ideala bottnar sat återkokare. Svar: Destillatflödet blir 8.57 kol/h och det fordras 5 ideala bottnar för att genoföra separationen. Datu

20 B. Data: kg/ h 0000 kg/ h 0.0 P Aoniak K Aoniak K.7 H og 0.9 Question: a) Erforderlig pav ckningshöjd då 90% av aoniaken ska absorberas b) Minialt flöde av lösningsedel då 98% av aoniaken ska absorberas Solution: a) Packing height,, l,, l H N H og og og N 0.9 og ln Molbråk < 0.05 ; Räkna o flöden från kg/ h till kol/ h Gasflöde ätskeflöde Operating line: ' kol/ h M uft ' kol/ h M attenr Datu

21 Jäviktsaband: P Aoniak K Aoniak * K Inde Aonia används ej! P Aoniak P * Aoniak : ( 0.90) 0.00 N og : N og ln N og.57 l : l H og N og l.3 b) Minialt flöde av lösningsedel. Operating line Equilibriu line, /K Driftlinje vid inialt flöde.. in in K : ( ) 4 in in in : in 83.5 kol/ h Svar: Erforderlig packningshöjd.3 inialt flöde av lösningsedel 83.5 kol/ h. Datu

22 B3. Data: Sökt: F 4500 kg/h F 0.5 F 60ºC 0.55 P S. bar P 0.0 bar U SKB 560 W/ K S, A ösning: P S, ΔH AP, F, F Färskångbehovet, S, löses ur värebalans över effekten S Δ H + Fh H + h AP F Ströar och söks F + F F 7.7 kg/h F kg/h Entalpier: ΔH AP {P S. bar}93.38 kj/kg h F { F 55ºC, F 0.5}0 kj/kg h { 08ºC, 0.55}640 kj/kg H { 08ºC, P0. bar}700 kj/kg H + h Fh F S S kg/h ΔH AP Datu

23 Indunstningstan bestäs ur kapacitetsekvationen SΔΔ AP Δ S U SKB AΔΔ A 0 Svar: kg/h resp. 0 B4. Data: n3 0 kg/s 0 A 0.30 kg/s A 0.50 S + A C Sökt: A 3 A, 0 ösning: 0 A 3 A 4 R Den fiktiva ströen R beräknas till storlek och saansättning. Detta används sedan för att konstruera polen R i triangeldiagra. R : R 0 R kg/s R 0 A : R A 0 A A R A 0.0 R R S : R S S R S R C : R 0 R C.40 C 0 C S + A riangeldiagra konstrueras. Geoetriska orten för underströarna ges av C ilket ger S A Stegning i triangeldiagra dvs lösning av aterialbalanser och jäviktsbegrepp ger att A Ingående etraktfas innehåller således 0 vikt-% olja. Datu

24 Storleken på ströen 3 bestäs ed hjälp av hävstångsregeln. 3 a R(a+b) a kg/s A 3 A A a+b 40 % Svar: Ca 0 vikt-%olja ; 53 % Datu