Kondensation 4) 50 g Benzaldehyd skall kondenseras vid 179ºC. Beräkna enthalpiförändringen för Benzaldehyd före och efter kondensationen.

Transkript

1 Kurs: Bioteknik KKKA01 Räkneövningar energibalanser / Ingegerd Sjöholm VT Läsvecka 5,6, 7 Obs! Du behöver tillgång till SI Chemical data och naturligtvis räknare. Förånga is 1. Kristalliserat vatten, is smälter vid 0 C. Fem kg is (-10 C) får smälta i vatten vid 0 C. Därefter värmer du det nollgradiga vattnet tills att allt vattnet har förångats vid 100 C. a) Rita upp entalpiförändringen schematiskt för de olika stegen som funktion av temperaturen. b) Beräkna processens totala entalpiförändring. Värma vatten på stormkök 2. Du skall värma vatten på ett stormkök. Du kan antingen använda etanol eller metanol. Verkningsgraden är 70 % för båda bränslen. Hur många gram etanol respektive metanol går det åt för att koka upp 1 liter vatten vid 20ºC? Värmeinnehåll i olika material 3) Hur mycket material behöver du av de olika materialen kork, tegel, trävirke och aluminiumbrons för att lagra samma mängd värme vid 25 ºC. Tekniska data vid 25ºC: kork(sammanpressad) cp = 1,88 kj/kg,k k= 0,045 W/(m,ºC) tegel cp = 0,84 kj/kg,k k= 0,69 W/(m,ºC) trä (fur) cp = 2,4 kj/kg,k k= 0,166 W/(m,ºC) aluminium brons cp = 0,410 kj/kg,k k= 83 W/(m,ºC) (95% Cu och 5% Al) Kondensation 4) 50 g Benzaldehyd skall kondenseras vid 179ºC. Beräkna enthalpiförändringen för Benzaldehyd före och efter kondensationen. Lösa salt i vatten 5) Du skall lösa 5 g NaCL i 200 ml vatten. Vattnets temperatur är 20ºC och ditt salt har förvarats vid 20ºC. a) Beräkna entalpiförändringen för lösningen efter saltet är löst. b) Beräkna entalpiförändringen för att höja lösningen temp från 20ºC till 25ºC En varm sommardag 6) Det är sol och temperaturen i skuggan är omkring 20 grader. Det blåser mer än 3 m/s. I en liten sjö är medeltemperaturen + 15ºC. Mängden vatten i sjön kan uppskattas till 100 m 3 och sjöns yta mot luften är 40 m 2. Vinden och solskenet samverkar till att vatten avdunstar hela tiden från sjön. Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT

2 a) Rita upp systemet för mass- och energibalansen över systemet. b) Hur mycket vatten måste avdunsta för att temperatursänkningen i sjön teoretiskt skall bli 13ºC? Du får förutsätta att solen har gått i moln under tiden som vattnet avdunstar. Vattenbadet 7. Ditt vattenbad rymmer max 20 liter och du har tillgång till vatten med temp +2 C, +10 C, +50 C och +90 C. Enligt laborationshandledningen får du högst ha 43 C och lägst 40 C då du låter din suspension reagera med ett enzym. Badet är försett med ett lock och helt isolerat så att läckage av värme till omgivningen är försumbar. Du rekommenderas att fylla badet till max 18 liter. Föreslå tre olika kombinationer av blandning av förvärmt vatten för att få 18 liter vatten med 40 till 43 gradigt vatten i vattenbadet. Ställ upp ekvationssystemet och skriv ut matrisen för att användas i matlab. Tekniska data för vattnet: Cp vatten ( C): 4,203 kj(kg -1 C -1 ) Cp vatten(40-43 C): 4,176 kj(kg -1 C -1 ) Cp vatten(50 C): 4,178 kj/(kg -1 C -1 ) Cp vatten(90 C): 4,202 kj(kg -1 C -1 ) Värma näringslösning i ett vattenbad 8. Man skall värma näringslösning i ett vattenbad. Näringslösningen är från början + 5 C och skall värmas till 40 C. Temperaturökningen i näringslösningen är 0.5 grader/minut. Vattnets specifika värme är 4.18 kj(kg -1 C -1 ). Beräkna energin Q för uppvärmning av näringslösning i höga bägare med diametern 5, 10 och 15 cm. Förslag på hur man kan börja tänka: Q = m T 2 T 1 c p dt 9. Torkade äpplen. Ett kg färska äpplen innehåller 75% vatten. a) Ett kg torkade äppelringar innehåller 20% vatten. b) Ett kg frystorkade äppelbitar innehåller 3 % vatten. Hur mycket energi har använts för att producera ett kg av de olika produkterna A och B? Det krävs 2300kJ för att förånga 1 kg vatten. Det krävs 340 kj för att frysa 1 kg vatten. Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT

3 Kontinuerlig vattenkokare 10. Hur mycket värme måste du tillföra systemet i nedanstående system? Vattenånga 1 kg/h 88 C Vatten 10 kg/h 25 C Värmare Utgående vatten 9 kg/h 88 C Använd värme Q Entalpin för vatten 88ºC: 368.5kJ kg-1 Entalpin för mättad ånga 88ºC: kj kg-1 Entalpin för vatten 25ºC: 104.8kJ kg-1 Koka sötpotatis över öppen eld i Afrika 11. Tillagning av mat på landsbygden i Mozambique sker oftast över öppen eld. Antalet familjemedlemmar bestämmer vedåtgången per person och dag. I ett forskningsprojekt i Savanna har man mätt vedåtgången vid matlagningen och rapporterat följande siffror: 2 personer (8 kg ved/dag), 4 personer (6 kg ved/dag), 6 personer ( 4 kg ved/ dag) och för 8 personer (3,8 kg ved/ dag). Olika slags ved har olika värmeinnehåll, ved med 25 % fukthalt har ett energiinnehåll på 3,8 kwh/ton (enligt energimyndighetens hemsida). Vid tillagning av sötpotatis till en måltid beräknar man 0,3 kg sötpotatis per person som kokas i 0,75 kg vatten per kg produkt och detta utgör 27 % av den lagade maten under en dag. I genomsnitt tar det 20 minuter att koka upp vatten med skivade sötpotatisar och som man därefter låter koka under ytterligare 30 minuter. Beräkna verkningsgraden, utnyttjandet av ved för tillagningen av sötpotatis i de olika stora familjerna. Visa också energiåtgången i ett stapeldiagram för de olika stora familjerna Produktion av citronsyra 12. Citronsyra framställs genom att kulturen Aspergillus niger odlas i en reaktor vid 30ºC. Fermenteringen tar två dagar. Det går åt 2500 kg glukos och 860 kg syre för att producera 1500 kg citronsyra, 500 kg biomassa och några andra komponenter. Ammoniak används som kvävekälla. Fermentorn har mekanisk omrörning med en motor som förbrukar 15kW. Ungefär 100 kg vatten förångas under en produktionsomgång. a) Rita upp en principskiss över systemet och skriv in vilka storheter som tillförs, produceras respektive används. b) Ställ upp alla mass- och energibalanser över produktionen. Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT

4 Ett vanligt processteg 13. a)skriv text till följande processteg. b) Ställ upp mass- och energibalanser. c) Ge ett förslag på hur man kan beskriva energiåtgången. Feed stream 2000 kgh kg kgh -1 gluconic acid 1600kgh -1 water 90ºC??? Product stream 2000 kgh kg kgh -1 gluconic acid 1600kgh -1 water 6ºC Q to cooling water Q loss Diesel - biodiesel 14. För att frakta 1 ton varor 1 km till sjöss eller med tåg går det åt 0,12 kwh. Väljer du istället att transportera 1 ton varor på lastbil går det åt 0,5 kwh. Energivärdet i 1 liter diesel är i genomsnitt 9,9 kwh. Diesel kan framställas från olika råvaror exempelvis från plastavfall eller från rapsfrön. Från 1 ton helt torr plast kan man framställa 800 liter diesel och från 1 ton rapsfrön kan man framställa 1000 liter diesel. Avståndet mellan Lund och Stockholm är 605 km såväl med lastbil som med tåg. Räkna ut hur mycket råvara, plastavfall respektive rapsfrön, som går åt för att producera tillräckligt med diesel för att transportera 1 ton varor med lastbil respektive med tåg från Stockholm till Lund. Denna slags beräkningar har blivit mer och mer intressanta då morgondagens oljetillgångar kan vara osäkra. Det finns många sätt att tänka omkring vår energiförsörjning. Här följer en lite annorlunda version. Enligt tidningsartikel i Dagens Industri 6/ håller norrmannen Lauri Venöy på att utveckla en metod för att omvandla fett från feta amerikaner till diesel. Han för diskussioner med en fettsugningsklinik på ett sjukhus i Miami om att få ta hand om liter fett i veckan som han skall omvandla till liter diesel. Egons vattenbalans 15. Du skall beräkna hur mycket av dryck, kolhydrater och proteiner som en vuxen person behöver per dag för att upprätthålla sin vätskebalans. Vattnet tillförs i form av dryck, mat och genom cellandning. Dryck bidrar med 60%, cellandning med 10% och maten med 30%. Antag att drycken innehåller 93% vatten och maten kan delas upp i kolhydrater som innehåller 37% vatten och protein som innehåller 75% vatten. Cellandningens vatten kan betraktas som rent vatten. Vi förutsätter att fett inte innehåller något vatten. Ställ upp ekvationssystemet för hur mycket dryck respektive mat du måste äta för att få i dig 2,5 liter vätska (= rent vatten) per dag. Procenten är baserat på viktsprocent. Du rekommenderas att äta dubbelt så mycket kolhydrater som protein. Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT

5 Nypon är rikt på vitamin C och andra antioxidanter 16. Nypon innehåller hög halt av vitamin C och andra aktiva biokomponenter. Genom att torka de färska nyponen skonsamt i en frystork kan man bevara upp till 95% av den ursprungliga mängden vitamin C. Torkar man istället nyponen i en vanlig lufttork, som till exempelvis en ugn förlorar man 30 % av vitamininnehållet. Färska nypon Rosa Rubignosa innehåller 150 mg vitamin C/100 gram produkt och vattenhalten i de färska nyponen är 72%. Lufttorkning av nypon sker på följande sätt: Torkning (temp +5 C till 85 C) Frystorkning av nypon sker i följande steg : Infrysning av nypon (temp +5 C till -20 C), frystorkning (från -20 C till +20 C). Vid frystorkning sublimerar isen direkt över till vattenånga. I båda fallen har vattenhalten ändrat sig från 72 % till 11 %. a) skriv upp den totala entalpiförändringen för vattnet i nyponen vid lufttorkning av 1kg nypon b) skriv upp den totala entalpiförändringen för vattnet i nyponen vid frystorkning av 1 kg nypon. c) Entalpiförändringen är ett sätt att beskriva den teoretiska mängden energi som åtgår för att torka nyponen. Beräkna hur mycket mera teoretisk energi som behövs för att frystorka i jämförelse med att lufttorka nypon. d) Beräkna energiåtgången/ mg vitamin C för de båda torkningssystemen. Cp vatten (+0 C C): kj(kg -1 C -1 ) Cp vatten(85 C): kj(kg -1 C -1 ) Cp is 2.0 kj/(kg C Isens smältvärme: 334 kj kg -1 Isens kristallisationsvärme: 334 kj kg -1 Vattnets förågningsvärme: 2590 kj kg -1 Du är vad du äter! 17. De allra flesta livsmedel har en innehållsdeklaration på förpackningen. Energiinnehållet är beräknat från energitätheten på kolhydrater, fett och protein. Vi gör av med olika mycket energi beroende på vad vi utför. Utgå ifrån att du behöver 8400 kj/dygn för att må bra. (8400 kj = 2000 kcal) Vatteninnehållet är olika i fett, kolhydrater och protein. Du kan approximera vatteninnehållet i fett till 0 %, i kolhydrater till 37 % och i protein till 75 %. Livsmedelverkets rekommenderar oss att äta protein motsvarande % av totala energiintaget, kolhydrater motsvarande % och fett högst motsvarande 30 % av energiintaget. Fysiologiska data: met står för metabolic rate och motsvarar 58,2 W/m 2 promenad 2,0 3,4 met dansa 7,0 8,0 met spela tennis 1,4 2,6 met städa 2,0 3,6 met sova 0,8 met 100 g kolhydrater 1700 kj 100 g fett 3800 kj 100 g protein 1700 kj Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT

6 a) Gör en uppskattning av din kroppsyta. b) Bestäm (välj) sammansättningen av fett, protein och kolhydrater i din kost. c) Skriv upp de ekvationer som du behöver för att kunna räkna ut hur mycket du bör äta av fett, protein och kolhydrater. d) Föreslå en ekvation som beskriver hur du lämpligen kan fördela dina 8400 kj/dygn. Böner från Lima 18. Limabönor värmebehandlas kontinuerligt i en blanchör före fermenteringen. Massflödet in i blanchören är 860 kg/h. Den teoretiska energin för blancheringen (värmebehandlingen) är 1.19 GJ/h. På grund av dålig isolering förlorar man 0,24 GJ/h. Den totalt använda energin är 2.71 GJ/h - Beräkna a) energin för att återuppvärma vattnet b) beräkna fördelningen av energi i de olika utgående strömmarna Energi förluster (0,24 GJ/h) (1) Vatten blanchör Teoretisk energi för att blanchera produkten (1.19 )GJ/h (2) Tillförd energi (2.71 GJ/h) Energi som följer med vattnet ut (3) Socker 19. Om du löser 5 kg socker i 20 kg vatten vilken koncentration får du då? Du kan antaga att sockerlösningens densitet är 1070 kg m -3. Uttryck koncentrationen på två olika sätt (enheter). Skriv upp och utvärdera energibalansen. Vilket energiinnehåll kommer du att få i dig om du dricker 2,5 dl av sockerlösningen? 100 g kolhydrater 1700 kj 100 g fett 3800 kj 100 g protein 1700 kj Bioteknik KKKA01 Räkneövningar Energibalanser v 5,6,7 VT