TENTAMEN Material- och energibalans, KE1100/KE1120 Inledande kemiteknik, KE1010/KE1050 och 3C1451 2015-04- 08 kl 08:00 13:00 Maxpoäng 60 p. För godkänt krävs minst 30 p. Vid totalpoäng 27-29,5 p ges möjlighet till komplettering för godkänt (betyg E). Poäng (p) 27 p < 30 30 p < 36 36 p< 42 42 p< 48 48 p <54 54 p Betyg Fx E D C B A Skriv bara på ena sidan av bladet, max 1 uppgift per blad. Skriv namn och personnummer på samtliga inlämnade blad. Skriv namn, personnummer och kursnummer på omslaget och markera vilka frågor du svarat på. Tänk på att redovisa antaganden och grundekvationer, samt eventuella förenklingar. Hjälpmedel: Elementary Principles of Chemical Processes, R.M. Felder & R.W. Rosseau, John Wiley & Sons, Inc., 3rd Edition, 2005, eller motsvarande Eventuellt utdelade datablad Miniräknare LYCKA TILL! 1
Uppgift 1 Under en varm sommardag på banken går luftkonditioneringen (AC:n) för fullt, och blåser in 100 mol/min behaglig luft med en vattenhalt av 2 mol- % på de anställda. Den ingående luften till AC:n innehåller 5 mol- % vattenånga. a) Rita ett blockdiagram över AC:n och märk ut systemgränserna. (1 p) b) Beräkna mängden vatten som kondenserats. (3 p) Man bestämmer sig för att förbättra processen och lägger till en recirkuleringsström där man tar 35 mol/min avfuktad luft och blandar den med den ingående luften så de tillsammans går in i AC:n. c) Rita ett blockdiagram över AC:n och märk ut systemgränserna och alla okända strömmar och sammansättningar. (1 p) d) Beräkna mängden vatten som kondenserats och sammansättningen på alla strömmar. (4 p) e) Diskutera skillnaderna mellan de två systemen. Vad är fördelen med en recirkulationsström? (1 p) Ett steg mot att lösa klimatproblematiken är att energieffektivisera vårt samhälle, det vill säga använda mindre energi per person. Det kan innebära livsstilsförändringar som till exempel att släcka lamporna när vi lämnar ett rum men det kan även innebära att vi gör vårt befintliga energisystem mer effektivt genom att minska förlusterna. f) Mindre än hälften av Europas tillförda primärenergi i form av fossila bränslen till kraftverk kommer till användning hos slutanvändaren. Förklara varför så är fallet. (2 p) g) I vilken form avges främst förlusterna? (1 p) h) Ge förslag på förbättringar som leder till att en större andel av primärenergin skulle kunna användas. (2 p) 2
Uppgift 2 Du häller en liten volym etanol i en glasflaska som även innehåller luft vid atmosfärstryck, och tillsluter sedan flaskan. Flaskans temperatur hålls vid 50 C. Efter ett antal timmar finns det fortfarande flytande etanol i botten av flaskan. a) Är gasblandningen i flaskan mättad? Motivera ditt svar. (1 p) b) Vad är partialtrycket av etanol respektive luft i flaskan? (2 p) c) Hur skulle partialtrycket av etanol påverkas om all luft på något sätt evakuerades ur flaskan utan att någon etanol följde med? (1 p) En gasblandning innehållande luft och etanol vid 50 C passerar en kondensor. Den relativa mättnadsgraden av etanol innan kondensorn är 80 % och totaltrycket är 1 bar. d) Till vilken temperatur måste gasblandningen åtminstone kylas innan någon etanol kondenserar ut? (2 p) e) Gasutflödet från kondensorn är 2 m³/min vid 20 C. Hur stort är inflödet? (4 p) Enligt EUs avfallsdefinition beskrivs avfall som varje ämne, substans eller föremål som innehavaren gör sig av med eller behöver göra sig av med. I dagens samhälle med stor produktion och konsumtion är avfallshantering en viktig fråga ur miljö- och hållbarhetssynpunkt. f) I EUs avfallshierarki arbetar man med strategier på tre olika prioriteringsnivåer. Nämn dessa (1 p) g) Prioritera dessa efter resurseffektivitet. Motivera prioritetsordningen det skall tydligt framgå hur prioriteringen är kopplad till resurseffektiviteten. (2 p) h) Två olika sätt att hantera organiskt avfall är förbränning och framställning av biogas genom rötning. I båda metoderna utvecklas växthusgaser. Förklara och jämför hur de båda sätten skiljer sig åt angående var utsläppen av växthusgaser uppstår. (2 p) 3
Uppgift 3 Ställ upp förenklade energibalanser för följande system och ange om de är öppna eller slutna system: a) En bränslecell med 50% verkningsgrad. (2 p) b) En termos. (2 p) c) Ett vattenkraftverk. (2 p) Man kan lagra energi genom att pumpa vatten till en högre belägen tank eller damm, i ett sorts reversibelt vattenkraftverk. d) Är det genomförbart att lagra solenergi på det viset i en villa, om energilagret ska räcka en hel natt? Motivera ditt svar med beräkningar. Räkna med att tanken är på husets tak, 10 m ovanför marken, och att energiförbrukningen nattetid är 3 kwh. (4 p) I strävandet efter att miljöanpassa kemiska produkter och processer har det vuxit fram principer för grön kemi och grön kemiteknik. e) Ge fem exempel på principer för grön kemi och grön kemiteknik. (5 p) 4
Uppgift 4 Naturgas är ett fossilt bränsle, som till största delen består av metan. Förbränning av naturgas medför koldioxidutsläpp, men utsläppen är lägre än vid förbränning av andra fossila bränslen. I ett laboratorieförsök vid temperaturen 1500 C och trycket 1 bar sker fullständig förbränning av 1 liter metan per sekund med hjälp av stökiometrisk mängd luft. Temperaturen på ingående gaser är 25 C, och densiteten för metan är 0,72 kg/m 3. a) Skriv reaktionsformeln för förbränningen. (1 p) b) Rita upp ett blockdiagram för processen och märk ut alla pilar. (1 p) c) Beräkna total volym och sammansättning på den producerade gasen. (2 p) d) Beräkna hur stor värmemängd som måste tillföras eller bortföras. (6 p) Transportsektorn står inför en stor utmaning att övergå till ett hållbart system från det icke- hållbara system baserat på fossila bränslen som vi har idag. e) Ur ett systemperspektiv, beskriv cykliska och linjära system för produktion och användning av fordonsbränslen. (2 p) f) Ge exempel på ett bränsle som idag används i ett linjärt system, respektive ett som används i ett cykliskt system. (1 p) g) Vad är förutsättningen för att använda ett bränsle enligt ett cykliskt system ur ett material- och energiresursperspektiv? (2 p) OBS. I uttrycket för specifika värmet, c p [kj/mol ºC], som kan användas för att beräkna specifika entalpiteter, behöver du endast ta hänsyn till de två första termerna. 5