Tentamen Scheidingstechnologie: MSTTSCT 01-07-201114:00 -17:00 Het tentamen bestaat uit vijf open vragen (met subvragen). • Vermeld naam en studienummer op ieder ingeleverd vel. • Vermeld eenheden bij numerieke antwoorden en gebruik symbolen. Antwoorden zonder eenheden worden fout gerekend. • Dit is een gesloten boek tentamen; gebruik van collegehand-outs, boeken en ander documentatiemateriaal is NIET toegestaan.
Opgave 1. Extractie Een processtroom C bevat 28% stof A. Men wil stof A uit deze stroom continu extraheren in een extractieproces met behulp van solvent S. Het proces bestaat uit 3 mixer-settlers. De uitgaande solvent stroom S wordt verrijkt en hergebruikt. Hierdoor zit in de ingaande solvent-stroom nog 4% A en 4% C. Het solventvrije raffinaat mag slechts 2.5% A bevatten. De gebruikte solvent-to-feed ratio is S/F = 40/60. compound
Solvent A
compound
carrier
Solvent B
compound
carrier Solvent C
compound
carrier Solvent D
carrier
a. Welk solvent is op basis van de bovenstaande ternaire fase diagrammen het meest geschikt voor extractie en waarom? Geef 2 redenen. b. Bepaal voor dit proces het mixing point, de raffinaat- en extract compositie, gebruikmakend van het fasediagram in bijlage 1. De raffinaatspecificaties worden niet gehaald. Zonder extra mixer-settlers toe te voegen wil men dit toch bereiken. C.
Hoe kan dit worden gedaan? Noem een nadeel hiervan.
Opgave 2. Adsorptie Een stroom van 10 kg/s bevat l w % van een vervuiling A. Men wil dit hieruit scheiden met behulp van adsorptie. Een gepakt-bed adsorptiekolom heeft een Lengte van 5 m, een dwarsdoorsnede van 1 m en een bedporositeit van 40%. Je kunt aannemen dat evenwicht instantaan bereikt wordt. Dit evenwicht kan worden beschreven met de formule q = 5-c waarbij c de concentratie van vervuiling A in de voeding in kg/m is en q de geadsorbeerde hoeveelheid massa is in kg product A per kubieke meter adsorbent. De dichtheid van de voeding is 1 kg/1. 2
3
De snelheid (front velocity) van de Mass Transfer Zone door het bed wordt gegeven door de formule:
Waarbij u staat voor de snelheid van de voeding tussen de poriën in de kolom. a. Wat is de snelheid (front velocity) van de Mass Transfer Zone door het bed? b. Na hoeveel uur moet het adsorbent geregenereerd worden? c. Wat is tijdens het adsorptieproces de concentratie in de uitgaande stroom?
Opgave 3. Destillatie In een raffinaderij wil men een ester ( T i i = 42.1°C)van een van zijn reactanten ( T i i = 80°C) scheiden. Dit wordt gedaan met behulp van destillatie. De ingaande stroom bevat 40% ester. Het topproduct moet 98% zuiver zijn, het bodemproduct 95%. De voeding is een mengsel van damp en vloeistof met een vloeistoffractie van 0.9. De reflux ratio is 1.2. q-line: b o
b o
y = -z
x+z l - q
F
Z
1-q
Operating line rectifying section: Y
R ~ R~TÏ
X
+
1 RTÏ
XD
Operating line Stripping section: V + 1 B
1
a. Welke component wordt over de top verwijderd? b. Wat is de relatieve vluchtigheid bij een esterfractie van 0.5? c. Bepaal het aantal benodigde equilibrium stages met behulp van het x-ydiagram in de bijlage, waarbij de molfracties betrekking hebben op de meest vluchtige component. d. Wat is de optimale feed stage? e. In werkelijkheid zijn er meer stages nodig voor dezelfde scheiding. Hoe komt dit? de ester zou ook direct tijdens het destillatieproces gemaakt kunnen worden. f.
Waarom zou dit voordelig kunnen zijn?
De optimale temperatuurrange voor de esterificatie is 75-100 °C. g. Vormt dit een probleem om reactive destination toe te passen? Kun je dit probleem oplossen?
Opgave 4. Kristallisatie Gegeven zijn de volgende oplosbaarheden van verschillende zouten in water (in gram/100 gram water): Compound
1 2 3
20 °C 30 0.13 30
40 °C 65 0.14 32
60 °C 110 0.15 35
100 °C 270 0.16 38
a. Wat is de meest voor de hand liggende kristallisatiemethode voor elk van deze stoffen en waarom? b. Noem 3 subprocessen die tijdens kristallisatie plaatsvinden. Een processtroom bevat 1.5 gram zout X per gram oplossing. Het bedrijf wil dit zout winnen met behulp van een batch koelkristallisatie. De oplosbaarheidscurve is gegeven in het diagram hieronder. c. Geef de criteria voor het bepalen van een geschikte eind-temperatuur van de kristallisatie. Geef ook aan welke eindtemperatuur je zou kiezen voor de kristallisatie van zout X. d. Als het volume van de kristallisator 3 m is, wat is dan de massa kristallen die is gevormd als men koelt van 90°C naar 20°C? Neem als dichtheid de dichtheid van water. 3
Hetzelfde proces wordt nu gestart door 1 gram entkristallen toe te voegen, met als doel om een grotere gemiddelde grootte van het eindproduct te realiseren. De entkristallen hebben een gemiddelde grootte van L = 40 micrometer. e. Wat is de eindgrootte van de kristallen als je aanneemt dat er geen agglomeratie of secundaire nucleatie is?
0
20
40
60 T(°C)
80
100
Opgave 5. Process Intensification Het maximaliseren van specifieke oppervlakken voor massa- en warmtetransport is een van de basis principes van Process Intensification. Geef 5 voorbeelden van Pl-technologieën die veel grotere specifieke oppervlakken hebben voor massa- en/of warmtetransport dan de conventionele technieken. Geef een beknopte motivatie voor je keuzes.
Bijlage 1
Naam
Studienummer
Bijlage 2
Naam
Studienummer
