CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för kemi- och bioteknik

Transkript

1 CHAMERS EKNISKA HÖSKOA Institutionen för kemi- och bioteknik KURSNAMN Bisoseprtionsteknik, KAA50 PRORAM: nmn åk / läsperiod Civilingenjörsprogrm bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Ström ID FÖR ENAMEN OKA Onsdg 30 mj, kl V HJÄPMEDE ANSV ÄRARE: nmn telnr besöker tentmen DAUM FÖR ANSA v resultt smt v tid och plts för grnskning Vlfri 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 ösningr till tentmens räknedel nslås på kurshemsidn 30 mj. Resultt på tentmen nslås 8 juni. rnskning tisdg 9 juni kl i seminrierummet, forskrhus II pln. ÖVRI INFORM. entmen består v teoriproblem, del A, och en beräkningsdel, del B. Omfttningen v del A är c 40% v totlpoängen på tentmen Poäng på respektive uppgift finns notert i tentmenstesen. 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: eori A. Mn kn indel seprtionsopertioner enligt olik ktegorier. Ett eempel är tt indel dem i homogen och heterogen opertioner. e eempel på seprtionsmetoder enligt respektive tp och därvid utnttjt seprtionsgens! (p A. Redogör med hjälp v figuren nedn för vd som händer, då en blndning v ceton och kloroform, där kloroform hr molbråket 0., upphetts från från 55 C till 65 C vid ett konstnt trck v br! Antg tt blndningen upphetts i en behållre, som är så konstruerd tt trcket kn hålls vid br men tt något mteril inte kn lämn den smm. En förstoring v figuren finns i bilg som Du kn bifog Din lösning! (5p A3. Vid bsorption kn tre driftprmetrr påverks för tt få så effektiv bsorptionsprocess som möjligt! Vilk är dess prmetrr? (p A4. En bsorptionsprocess är lämplig tt utför i två kolonner enligt figur nedn. Vis med en principfigur plcering v driftlinjer och jämviktskurv för tvåkolonnsstemet och motiver Ditt svr! Mrker koncentrtionern i principfiguren. A B A B A B A B (5p entmen i Bioseprtionsteknik

3 A5. I figuren nedn är en höjd-tidkurv schemtiskt presenterd för ett sedimenteringsförlopp. Vd påverkr höjd-tidkurvns utseende? Höjd id (3p A6. Redogör för funktionern hos en sprkolonn respektive mier settler (gärn med figur, smt nge hur verkningsgrden och kostnden förhåller sig för dess båd! (4p A6. Redogör för den fundmentl skillnden melln fri och hindrd sedimentering! (p A8. F Kpciteten för en klrnre kn härleds till A. Då sedimenttionshstigheten, v, v är låg kommer en stor klrningsbssäng tt fordrs för tt genomför seprtionen. Hur kn mn pprtmässigt ök kpcitet för ett sedimenttionsförlopp som uppvisr en låg kpcitet i ett grvittionsfält? (3p entmen i Bioseprtionsteknik 3

4 Del B: Beräkningsuppgifter B. En destilltionskolonn skll dimensioners i vilken en blndning v metnol och propnol sk seprers. illflödets storlek är 00 kmol/h och håller 40 mol-% metnol och resten propnol. illflödet är vätskeformigt och kokvrmt. Från kolonnen önsks två produkter hållnde 95 respektive 0 mol-% metnol. Seprtionen genomförs vid 760 mmhg. Kolonnen sk vr försedd med återkokre och totlkondensor och rbet vid ett ttre återflödesförhållnde 4.4. Reltiv flktigheten för metnol/propnol är 4.3. Beräkn med Sorels metod hur mång idel steg fordrs för tt genomför seprtionen? (9p B. En luftström, 000 kg/h (34.5 kmol/h, innehåller.50 mol-% mmonik. I en pckd kolonn sk denn mmonik ts bort till 95% genom bsorption i vtten, påfört i en mängd v 9900 kg vtten/h (550 kmol/h och hållnde 0.05 mol-% mmonik. rcket i kolonnen är 00 kp och temperturen konstnthålles vid 0ºC. Beräkn erforderlig pckningshöjd för seprtionen om H o kn nts vr 0.8 m! Jämviktsdigrm för mmonik/vtten vid 00kP bifogs. (8p B3. En sltlösning, 300 kg/h, sk indunsts vid br från 30 till 60 vikt-% i en enkeleffektindunstre. emperturen på tillflödet är 55ºC och på värmnde ång 75ºC. Entlpier kn pproimers med motsvrnde entlpier för ång respektive vtten. Kokpunktsförhöjningen kn beräkns från smbndet β00 SA där SA är viktbråket slt. Beräkn erforderlig värmeöverföringst för indunstren! Skenbr värmegenomgångstlet är. kw/m K. (8p B4. Ett filtreringsförsök hr utförts i ett lbortoriefilter med filtertn m. Slurrn, som håller 5. vikt-% fst mteril, filtrerdes vid det konstnt trckfllet.36 MP och temperturen 0 C. Efter filtreringen bestämdes filterkkns torrhlt till 7.8 %. Det fst mterilets densitet är 335 kg/m 3 och vätskn 000 kg/m 3. Bestäm, utifrån de eperimentell resultten som är givn i tbell nedn, filterkkns filtrermotstånd smt filtermediets motstånd. (9p t (s V (m öteborg Krister Ström entmen i Bioseprtionsteknik 4

5 Bioseprtionsteknik Formelsmling entmen i Bioseprtionsteknik 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, B W q-linje: q -q + F q entmen i Bioseprtionsteknik 6

7 entmen i Bioseprtionsteknik 7

9 entmen i Bioseprtionsteknik 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 i i Pckningshöjd: Vid låg hlter: ( ( ( ( * * i i d C K d C k l d P K V d P k V 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 V Y Y dy P k V l

10 entmen i Bioseprtionsteknik 0 Vid rät driftlinje och rät jämvikts- kurv: ln ln m m V m C K l m m V m P K V l Vid rät driftlinje och rät jämviktskurv gäller: O O H m H H H m H H + + FIRERIN ( v AR m V c P A dt dv + Δ α μ s v v J J J c ρ ρ ε ε ρ - - (- SEDIMENERIN Fri sedimentering: μ ρ ρ 8 ( g D v s p

11 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 V gsflöde, kmol/(m s gsflöde, kg/(m s V 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 k mssöverföringstl, gsfilm, kmol/(m stm k mssöverföringstl, vätskefilm, m/s K 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 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 ρ W densiteten för vtten vid 0 C, kg/m 3 σ tspänning, dn/cm (mn/m entmen i Bioseprtionsteknik

12 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, - 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 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 entmen i Bioseprtionsteknik

13 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,0 0, ,0 0,0 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Molbråk mmonik i vätskefs Molbråk mmonik i gsfs entmen i Bioseprtionsteknik 3

16 Bilg till uppgift A. entmen i Bioseprtionsteknik 6

17 KURSNAMN Bisoseprtionsteknik, KAA50 ösningr bifogde till B- uppgifter PRORAM: nmn åk / läsperiod Civilingenjörsprogrm bioteknik årskurs 3 läsperiod 3 EXAMINAOR Krister Ström ID FÖR ENAMEN OKA Onsdg 30 mj, kl V HJÄPMEDE ANSV ÄRARE: nmn telnr besöker tentmen DAUM FÖR ANSA v resultt smt v tid och plts för grnskning Vlfri 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 ösningr till tentmens räknedel nslås på kurshemsidn 30 mj. Resultt på tentmen nslås 8 juni. rnskning tisdg 9 juni kl i seminrierummet, forskrhus II pln. ÖVRI INFORM. entmen består v teoriproblem, del A, och en beräkningsdel, del B. Omfttningen v del A är c 40% v totlpoängen på tentmen Poäng på respektive uppgift finns notert i tentmenstesen. 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. entmen i Bioseprtionsteknik 7

18 Del A: eori A. Mn kn indel seprtionsopertioner enligt olik ktegorier. Ett eempel är tt indel dem i homogen och heterogen opertioner. e eempel på seprtionsmetoder enligt respektive tp och därvid utnttjt seprtionsgens! (p A. Redogör med hjälp v figuren nedn för vd som händer, då en blndning v ceton och kloroform, där kloroform hr molbråket 0., upphetts från från 55 C till 65 C vid ett konstnt trck v br! Antg tt blndningen upphetts i en behållre, som är så konstruerd tt trcket kn hålls vid br men tt något mteril inte kn lämn den smm. En förstoring v figuren finns i bilg som Du kn bifog Din lösning! (5p A3. Vid bsorption kn tre driftprmetrr påverks för tt få så effektiv bsorptionsprocess som möjligt! Vilk är dess prmetrr? (p A4. En bsorptionsprocess är lämplig tt utför i två kolonner enligt figur nedn. Vis med en principfigur plcering v driftlinjer och jämviktskurv för tvåkolonnsstemet och motiver Ditt svr! Mrker koncentrtionern i principfiguren. A B A B A B A B (5p entmen i Bioseprtionsteknik 8

19 A5. I figuren nedn är en höjd-tidkurv schemtiskt presenterd för ett sedimenteringsförlopp. Vd påverkr höjd-tidkurvns utseende? Höjd id (3p A6. Redogör för funktionern hos en sprkolonn respektive mier settler (gärn med figur, smt nge hur verkningsgrden och kostnden förhåller sig för dess båd! (4p A6. Redogör för den fundmentl skillnden melln fri och hindrd sedimentering! (p A8. F Kpciteten för en klrnre kn härleds till A. Då sedimenttionshstigheten, v, v är låg kommer en stor klrningsbssäng tt fordrs för tt genomför seprtionen. Hur kn mn pprtmässigt ök kpcitet för ett sedimenttionsförlopp som uppvisr en låg kpcitet i ett grvittionsfält? (3p entmen i Bioseprtionsteknik 9

20 Del B: Beräkningsuppgifter B. En destilltionskolonn skll dimensioners i vilken en blndning v metnol och propnol sk seprers. illflödets storlek är 00 kmol/h och håller 40 mol-% metnol och resten propnol. illflödet är vätskeformigt och kokvrmt. Från kolonnen önsks två produkter hållnde 95 respektive 0 mol-% metnol. Seprtionen genomförs vid 760 mmhg. Kolonnen sk vr försedd med återkokre och totlkondensor och rbet vid ett ttre återflödesförhållnde 4.4. Reltiv flktigheten för metnol/propnol är 4.3. Beräkn med Sorels metod hur mång idel steg fordrs för tt genomför seprtionen? (9p B. En luftström, 000 kg/h (34.5 kmol/h, innehåller.50 mol-% mmonik. I en pckd kolonn sk denn mmonik ts bort till 95% genom bsorption i vtten, påfört i en mängd v 9900 kg vtten/h (550 kmol/h och hållnde 0.05 mol-% mmonik. rcket i kolonnen är 00 kp och temperturen konstnthålles vid 0ºC. Beräkn erforderlig pckningshöjd för seprtionen om H o kn nts vr 0.8 m! Jämviktsdigrm för mmonik/vtten vid 00kP bifogs. (8p B3. En sltlösning, 300 kg/h, sk indunsts vid br från 30 till 60 vikt-% i en enkeleffektindunstre. emperturen på tillflödet är 55ºC och på värmnde ång 75ºC. Entlpier kn pproimers med motsvrnde entlpier för ång respektive vtten. Kokpunktsförhöjningen kn beräkns från smbndet β00 SA där SA är viktbråket slt. Beräkn erforderlig värmeöverföringst för indunstren! Skenbr värmegenomgångstlet är. kw/m K. (8p B4. Ett filtreringsförsök hr utförts i ett lbortoriefilter med filtertn m. Slurrn, som håller 5. vikt-% fst mteril, filtrerdes vid det konstnt trckfllet.36 MP och temperturen 0 C. Efter filtreringen bestämdes filterkkns torrhlt till 7.8 %. Det fst mterilets densitet är 335 kg/m 3 och vätskn 000 kg/m 3. Bestäm, utifrån de eperimentell resultten som är givn i tbell nedn, filterkkns filtrermotstånd smt filtermediets motstånd. (9p t (s V (m öteborg Krister Ström entmen i Bioseprtionsteknik 0

21 Bioseprtionsteknik Formelsmling entmen i Bioseprtionsteknik

22 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, B W q-linje: q -q + F q entmen i Bioseprtionsteknik

25 entmen i Bioseprtionsteknik 5 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 i i Pckningshöjd: Vid låg hlter: ( ( ( ( * * i i d C K d C k l d P K V d P k V 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 V Y Y dy P k V l

26 entmen i Bioseprtionsteknik 6 Vid rät driftlinje och rät jämvikts- kurv: ln ln m m V m C K l m m V m P K V l Vid rät driftlinje och rät jämviktskurv gäller: O O H m H H H m H H + + FIRERIN ( v AR m V c P A dt dv + Δ α μ s v v J J J c ρ ρ ε ε ρ - - (- SEDIMENERIN Fri sedimentering: μ ρ ρ 8 ( g D v s p

27 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 V gsflöde, kmol/(m s gsflöde, kg/(m s V 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 k mssöverföringstl, gsfilm, kmol/(m stm k mssöverföringstl, vätskefilm, m/s K 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 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 ρ W densiteten för vtten vid 0 C, kg/m 3 σ tspänning, dn/cm (mn/m entmen i Bioseprtionsteknik 7

28 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, - 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 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 entmen i Bioseprtionsteknik 8

29 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,0 0, ,0 0,0 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Molbråk mmonik i vätskefs Molbråk mmonik i gsfs entmen i Bioseprtionsteknik 9

32 Bilg till uppgift A. entmen i Bioseprtionsteknik 3