UNIVERSITEIT TWENTE CT-ST
GESLOTEN-BOEK TOETS
VAK:
PROJECT PROCESTECHNOLOGIE
DOCENT DATUM: TIJD:
Prof. Dr. G. Mul en Dr. L. van der Ham Vrijdag 22 November 2013 15:45 – 17:30 uur
LAAT DUIDELIJK ZIEN HOE JE EEN UITKOMST HEBT VERKREGEN! VOORZIE ELK VEL DAT JE INLEVERT DUIDELIJK VAN JE NAAM EN STUDIENUMMER HET RAADPLEGEN VAN ANDEREN, AANTEKENINGEN EN ANDER STUDIEMATERIAAL IS NIET TOEGESTAAN
Lees elke opgave in zijn geheel door voordat je met de uitwerking begint. Werk netjes en beknopt, en wees vooral duidelijk. -
Het totaal aantal punten van deze gehele toets is 100 Onderdeel A maximaal 60 (20 + 40) Onderdeel B maximaal 40 (40)
1
ONDERDEEL A
Korte vragen (4+4+2+10 punten) Vraag A1 a) Bereken het gemiddeld molecuul gewicht van lucht, aannemende dat dit 20% zuurstof, 77% stikstof en 3% Ar bevat (atoom gewicht Ar = 40 g/mol) b) Leid met behulp van de ideale gas wet een formule voor de dichtheid van een gas af, zijnde een functie van (MW, R,T, P). c) Schrijf in woorden de algemene massabalans vergelijking voor een proces op. Wanneer is een proces stationair, en wanneer transient? d) Onderstaand is een proces-schema voor een niet reactief proces (ontzouten water) weergegeven.
Er zijn 3 balansen op te stellen voor dit proces. Welke? Zijn deze allen onafhankelijk? Wat is dus het aantal vrijheidsgraden voor dit proces? Kies een stelsel van 2 vergelijkingen uit, en bereken hoeveel zeewater aan het proces moet worden toegevoegd (3,5% zout) om 0.5 m3 drinkwater (1% zout) te produceren.
2
Massabalans reactief proces (40 punten) Vraag A2 Op een raffinaderij komt bij de ontzwaveling van brandstoffen H2S vrij. Dit H2S moet verwerkt worden tot zwavel (S8). Hiervoor wordt H2S gedeeltelijk omgezet in SO2 waarna via de Claus evenwichtsreactie (zie hieronder) elementair zwavel wordt gevormd. 2 H2S + SO2 3/8 S8 + 2 H2O Voor het Claus proces wordt een reactor met recycle en spui gebruikt. De voeding #1 van 100 mol/s bestaande uit 1 mol% N2, 66 mol% H2S en 33 mol% SO2, wordt gemengd met een recycle stroom #9. Dit levert de voedingsstroom #2 voor de reactor. H2S en SO2 reageren gedeeltelijk tot zwavel en water (zie reactie). De stroom na de reactor #3 wordt eerst door een fase scheider geleid, waarbij alleen 100% S wordt afgescheiden (#4) en stroom #5 overblijft. Deze wordt door middel van een membraan opnieuw gescheiden, met als doel het verwijderen van water. Uit stroom #5 wordt zo een stroom #6 van zuiver water gevormd, ter grootte van 75% de waterhoeveelheid van stroom #5. Stroom #7 is de andere stroom die de membraan module verlaat, welke tevens de recyclestroom wordt, nadat een gedeelte is gespuid (spui is stroom #8 en de recycle dus #9). Er is gegeven dat stroom #6 uit 60 mol/s zuiver water bestaat. Van spuistroom #8 is bekend dat die o.a. 4 mol/s water bevat. a) Teken het proces en label alle stromen. b) Bereken de hoeveelheid elementair zwavel (S8) die het proces verlaat in stroom #4. c) Bereken de grootte en samenstelling van spuistroom #8 d) Bereken de grootte en samenstelling van stroom #7 e) Maak een tabel met componenten (moleculen aanwezig in het proces verticaal en stroom nummer horizontaal en vul deze helemaal in (controleer of de massabalans klopt) f) Wat is de conversie van H2S per gang door de reactor, en voor het hele proces?
3
Formuleblad ACCUMULATIE = IN – UIT + PRODUCTIE conversie
opbrengst
A P
A in A uit A in
atomen X
Pgewonnen
moleculen Y
n Y in n Y uit n Y gevormd n Y afgebroken n Y
Ptheoretisch max imaal
selectiviteit
AP1
Massabalans voor een open doorstroomd systeem in stationaire toestand
A P1 A P1, P2 , .....Pn
kg s
m in m uit
Abc formule:
a x2 b x c 0 x
n X in n X uit n X
1
(a x) dx ln(a x)
b b 4ac 2a 2
Reactoren: Massabalans opstellen voor (zelf te kiezen) sleutelcomponent en over een (zelf te kiezen) controle volume.
accumulatie toevoer afvoer productie
Algemene aanname: Dichtheid constant
met : V volume debiet (
Model reactors: Ideal batch reactor (BR) Ideal plug flow reactor (PFR) Continuously operated, ideally stirred tank reactor (CISTR)
d (Vc C A,c ) dt
V ,in C A,in V ,uit C A,uit RA Vc
(mol A / s )
m3 ) s mol A C A concentratie A ( 3 ) m
RA omzettingssnelheid van A (
mol A ) m3 s
functie (k , C An , ...., C Xn ) Vc controle volume (m3 )
4
ONDERDEEL B: Destillatie (totaal 40 punten) Een mengsel van 250 mol/s Benzeen / Ethylbenzeen wordt gescheiden door destillatie. De voeding bevat 60% Benzeen en wordt gescheiden in een destillaat met 97.5% Benzeen en een bodemstroom met 2.5 % Benzeen. Antoine constanten (zie formule blad voor Antoine vergelijking): benzene:
A = 4.726
B = 1661
C = 271.7
ethylbenzene: A = 4.075
B = 1419
C = 212.6
In de appendix staan twee YX-diagrammen voor dit binaire systeem. Vragen (laat in je antwoord duidelijk zien hoe je aan het antwoord komt!): a
Bereken de relatieve vluchtigheid (α) van dit systeem bij 90 °C.
b
bereken de totale dampspanning van deze voeding aangenomen het is een vloeistof op kookpunt.
c
bereken de hoeveelheid destillaat (D) en bodem product (B) (in mol/s)
d
Bepaal het minimum aantal evenwichtstrappen die nodig zijn voor deze scheiding (zie appendix voor yx-curve)
Er is gegeven dat de 3 werklijnen elkaar snijden in het punt (x,y) = (0.4 , 0.75). e
Bepaal/bereken de reflux ratio en de thermische conditie (q) van de voeding voor deze scheiding. Welk percentage van de voeding is damp?
f
Bepaal het aantal evenwichtstrappen die nodig zijn voor deze scheiding waarbij de voeding één trap boven de optimale voedingstrap zit.
g
Bepaal de minimum reflux ratio Rmin en bereken de verhouding R/Rmin.
Gegeven: de verdampingswarmte van Benzeen = 30.8 kJ/mol en Ethylbenzeen = 35.6 kJ/mol. h
Bereken de hoeveelheid koeling die nodig is in de condensor (duty, in MW).
p.s. Indien je onderdeel a niet kon oplossen, veronderstel dan bij b: P°benzeen = 0.75 bar en P°ethylbenzeen = 0.15 bar . Indien je onderdeel e niet kon oplossen, neem dan R = 0.7.
5
Toets: Project Procestechnology 22 november 2013
NAAM:
Deze bijlage inleveren met de rest van je werk.
6
Toets: Project Procestechnology 22 november 2013
NAAM:
Deze bijlage inleveren met de rest van je werk.
7
Formuleblad voor Procestechnologie: onderdeel Destillatie continuous distillation
Antoine Equation:
B log10 ( p) A T C
F = D + B F ZF = (F XF ) = D XD + B XB
p° in bar and T in C.
Raoult Equation
Dalton Equation
pA = YA × P Relative volatility for binairy mixture A/B:
kA AB kB
pA = XA × pºA Equilibrium line:
Y p A X 1Y pB 1 X
Operating line of top (rectifying) section
Y
1 X 1
Operating line of bottom (stripping) section
L D X XD V V R 1 Y X XD R1 R1 Y
Y
L' B X XB V' V'
Feed line:
Reflux ratio:
R
X
L D
L /V 1 L / V
Y
q Z X F q1 q1
or
R
q
heat required to vaporize1 mol of feed heat of vaporization of 1 mol of liquid feed
Definition q:
8
