GESLOTEN-BOEK EXAMEN

Transcriptie

1 2004/TNW70/LvdH 30 januari 2004 UNIVERSITEIT TWENTE CT-ST GESLOTEN-BOEK EXMEN VK: PROCESTECHNOLOGIE (3754) DTUM: vrijdag 30 januari 2004 TIJD: 3:30-7:00 uur, sportcentru zaal 0 UITSLG: De tentaenbriefjes liggen uiterlijk vrijdag 20 februari 2004 o 6:30h bij de portier van het CT-gebouw. Een week later gaan niet afgehaalde briefjes op de post. INZIEN: Op afspraak et de docent. Dit exaen bestaat uit 4 opgaven. WERK S.V.P. ELKE OPGVE UIT OP EEN PRT VEL PPIER! LT DUIDELIJK ZIEN HOE JE EEN UITKOMST HEBT VERKREGEN! VOORZIE ELK VEL DT JE INLEVERT DUIDELIJK VN JE NM HET RDPLEGEN VN NTEKENINGEN EN NDER STUDIEMTERIL IS NIET TOEGESTN PUNTENVERDELING: Opdracht + 2 Opgave: OPDRCHT DIENT INGELEVERD TE ZIJN, OPDRCHT 2 DIENT UITERLIJK 6 EBRURI INGELEVERD TE WORDEN. LS DE BIJ HET VK BEHORENDE OPDRCHTEN BIJ HET VSTSTELLEN VN HET RESULTT NIET IN ONS BEZIT IS WORDT HET EXMENWERK MET EEN (ÉÉN) BEOORDEELD. Lees elke opgave in zijn geheel door voordat je et de uitwerking begint. Werk netjes en beknopt, en wees vooral duidelijk. Geef als antwoord niet alleen getallen, aar laat zien hoe je er aan kot, en geef ook de diensie(s) aan. PTX040.DOC / 0

2 Opgave : Massabalans (2 punten) Propyleenoxide (PO) kan geaakt worden iddels directe oxidatie van propeen door waterstofperoxide (H 2 O 2 ). Door de hoge reactiviteit van PO zal een gedeelte doorreageren et water tot propyleenglycol (PG). Zie onderstaande reacties C H O H 3 C CH H 3 C C CH 2 H 2 + H 2 O 2 + H 2 O propeen waterstofperoxide propyleenoxide C H 3 O C H CH 2 + H 2 O OH C H 3 C H H 2 COH propyleenoxide propyleenglycol Procesbeschrijving: 9 8 Waterstofperoxide als een 50 ol% oplossing in water (#, ol/s)) en propeen 2 verontreinigd et ol% inert propaan (#2) worden geengd R D D2 D3 et recycle stroen #9 3 4 (propeen/propaan engsel) tot de voedingsstroo #3 van de reactor R. De voeding (#3) 0 2 bevat een ruie overaat propeen (ol verhouding propeen : H 2 O 2 7:) o te garanderen dat alle waterstofperoxide wordt ogezet. De selectiviteit van het gereageerde propeen naar PO is 70% en de selectiviteit naar PG is 30%. Het engsel aan de uitgang van de reactor wordt vervolgens gescheiden in een scheidingstrein bestaande uit 3 destillatiekoloen. In destillatiekolo D wordt zuiver PG afgescheiden over de bode. In destillatiekolo D2 zuiver water en in destillatiekolo D3 wordt het restant gescheiden in zuiver product PO (#2) en niet gereageerd propeen et invert propaan (#7). De stroo #7 wordt gerecycled echter o opbouw van inert propaan te voorkoen wordt een gedeelte gespuid (#8) waarna het restant #9 wordt geengd et de voeding #2 en # o weer stroo #3 te geven. lle scheidingen zijn ideaal. Er is gegeven dat de concentratie van propaan in stroo #3 axiaal 0 ol% ag zijn. Zie ook de bijlage (blz. 6) voor de kookpunten en olassa s van de coponenten. Gevraagd: a. Bereken de hoeveelheid PG (#0) en PO (#2) die geproduceerd wordt (in ol/s). b. Bereken de hoeveelheid water die via stroo # wordt afgescheiden (in ol/s) c. Bereken de hoeveelheid en saenstelling van de stroen #3 en #4 (in ol/s) d. Bereken de hoeveelheid en saenstelling van de stroo die gespuid wordt (#8) en de spuifactor. e. Bereken de hoeveelheid van stroo #2 (ol/s) die voor deze situatie nodig is. f. Vul de olenbalans en assabalans in op basis van de verdere gegevens (zie bijlage ) g. Bestudeer de volgorde van deze destillatietrein. Is deze optiaal? Zo niet geef een betere scheidingsvolgorde en laat zien aan welke vuistregels nu voldaan wordt. Onderbouw et berekening op basis van (/ ). PTX040.DOC 2 / 0

3 Opgave 2: Reactoren (2 punten) Voor de ozetting van grondstof tot produkt P heeft en een CISTR en een PR reactor tot de beschikking. Beide reactoren hebben een identiek volue. De lengte van de buisvorige PR is 2 eter et een inwendige diaeter van 0. eter. De ozetting van tot P is tweede orde in en irreversibel: 2 3 P et R k2 C ol.. s De reactie leidt niet tot warte-effecten en voorts wordt zowel de PR als de CISTR reactor adiabatisch bedreven (dwz dat de teperatuur in de reactor overal even hoog is en wel gelijk aan de ingaande teperatuur). Er treden geen dichtheidsveranderingen van het reactieengsel op. Overige gegevens staan onder de opgave vereld. 2a. Wat is de conversie van in de stationaire situatie indien alleen de CISTR gebruikt zou worden. 2b. Wat is de conversie van in de stationaire situatie indien alleen de PR gebruikt zou worden. 2c. Wat is de totale conversie van in de stationaire situatie indien een serieschakeling van eerst de PR et daarna de CISTR gebruikt zou worden. 2d. Wat is de totale conversie van in de stationaire situatie indien een serieschakeling van eerst de CISTR et daarna de PR gebruikt zou worden. Bonusvraag: 2e. Kunt U een verklaring geven waaro de antwoorden van vraag c) en d) niet aan elkaar gelijk zijn. Motiveer Uw antwoord duidelijk. Gegevens Lengte PR Diaeter buisvorige PR: L 2 eter d 0. eter Voedingsdebiet: φ v s - Reactiesnelheidsconstante k ol -.s - Teperatuur (constant) T 298 K Concentratie in de voeding C,in 000 ol. -3 De CISTR is voorzien van een stalen roerwerk PTX040.DOC 3 / 0

4 Opgave 3: Destillatie (2 punten) Op blad 7 en 8 van dit exaen is het Xdiagra voor het binaire engsel van ethanol/water (bij 760 Hg) afgebeeld. 00 kol/h van een binair engsel van ethanol et water als vloeistof op kookpunt, wordt aan destillatie onderworpen. De (uitwendige) reflux verhouding R. y, olfractie ethanol X diagra voor ethanol / water (bij een druk van 760 Hg) Het bodeproduct bevat 5 ol% ethanol. Over de top kot 60 kol/h destillaat et 95 ol% ethanol x, olfractie ethanol Gevraagd wordt: 3a. Bepaal de olfractie ethanol in de voeding. 3b. Bepaal grafisch het iniu aantal theoretische scheidingstrappen. 3c. Bepaal grafisch het benodigde aantal theoretische scheidingstrappen voor R. 3d. Bepaal welke schotel de optiale voedingsschotel is. Een pas afgestudeerd ingenieur kot op het idee de zuiverheid van het topprodukt te vergroten door de reflux niet als vloeistof op kookpunt naar de kolo terug te voeren, aar als onderkoelde vloeistof. Hij weet uit ervaring dat de voeding ook wel eens onderkoeld wordt o de prestaties van een destillatiekolo te beïnvloeden. 3e. Zal het onderkoelen van de refluxstroo (L ) de olfractie ethanol in het destillaat inderdaad vergroten? Leg uit waaro wel of waaro niet! Een oude rot in het vak vindt het onderkoelen van de reflux aar niets. Hij stelt dat de jonge ingenieur zich het installeren van een extra wartewisselaar kan besparen door alleen aar de refluxverhouding R op te voeren. Naar zijn idee heeft het vergroten van R exact hetzelfde effect als het onderkoelen van L. 3f. Heeft de oude rot gelijk? Leg uit waaro of waaro niet! PTX040.DOC 4 / 0

5 Opgave 4: Enthalpiebalansen (2 punten) Een ideaal geengde doorstroode tank-reactor wordt gevoed et twee reactanten, en B. Bij 95ºC vindt een exothere reactie - in waterig ilieu - plaats, waarbij C als product wordt verkregen. l het en B wordt ogezet. B stoo E- hot oil + B C De waterige oplossing van wordt door het injecteren van open stoo op reactieteperatuur gebracht. Reactant B wordt op diezelfde teperatuur gebracht et hot oil. Koelwater E-2 E-3 De door de exothere reactie af te voeren warte wordt verwijderd in een externe wartewisselaar iddels koelwater. Dit koelwater ag van 5 naar 25 C worden opgeward. C Product C in waterige oplossing wordt na de reactor gekoeld tot 20ºC alvorens naar de opslag te worden afgevoerd. f te voeren reactiewarte bij 95 C: Condensatiewarte van stoo bij 20 C: H R 0.50 MW h vap 2300 kj/kg φ (kg/s) c p (kj/kg.k) T ( C) T 2 ( C) h i (kj/kg) (bij 95 C) (droge stof) 3,0 2, (waterdeel) 9,0 4, B 7,0 2, C (droge stof) 2, C (waterdeel) 4, hot oil 3, stoo n.v.t (koel)water 4, Gevraagd wordt: 4a. Bereken voor E- het hot oil debiet en het benodigde oppervlak. (U 300 W/ 2.K) 4b. Bereken voor E-2 het koelwaterdebiet en het benodigde oppervlak. (U 500 W/ 2.K). Ga er van uit dat de circulerende reactieengselstroo 0 C in teperatuur daalt. 4c. Bereken de hoeveelheid in de waterige oplossing van te injecteren stoo. 4d. Bereken voor E-3 het koelwaterdebiet en het benodigde oppervlak. (U 500 W/ 2.K) 4e. Bereken de enthalpie inhoud ( h C ) van C (droge stof) in kj/kg bij 95 C. PTX040.DOC 5 / 0

6 Exaen Procestechnologie (3754) 30 januari 2004 NM: BIJ OPGVE : LEVER DIT VEL IN MET DE REST VN JE WERK R 4 D D2 D3 0 2 [ol/s] kpt M # #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #0 # #2 H 2 O H 2 O propeen propaan PO PG M is Molassa en kpt is kookpunt bij atosferische condities in C [ton/h] M # #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #0 # #2 H 2 O 2 34 H 2 O 8 propeen 42 propaan 44 PO 58 PG 76 Totaal Geef axiaal 2 decialen. Vergeet niet na te gaan of je assabalans klopt! PTX040.DOC 6 / 0

7 Exaen Procestechnologie (3754) 30 januari 2004 NM: BIJ OPGVE 3: LEVER DIT VEL IN MET DE REST VN JE WERK X diagra voor ethanol / water (bij een druk van 760 Hg) y, olfractie ethanol x, olfractie ethanol PTX040.DOC 7 / 0

8 Exaen Procestechnologie (3754) 30 januari 2004 NM: BIJ OPGVE 3: LEVER DIT VEL IN MET DE REST VN JE WERK X diagra voor ethanol / water (bij een druk van 760 Hg) y, olfractie ethanol x, olfractie ethanol PTX040.DOC 8 / 0

9 oruleblad bij het exaen Procestechnologie (3754) van 30 januari 2004 (uitsluitend bedoeld als geheugensteuntje voor wie het dictaat Procestechnologie bestudeerd heeft). conversie atoen X in uit ζ nx in nx uit nx opbrengst η P P P in gewonnen theoretisch ax iaal oleculen n in n uit + n gevord n afgebroken n selectiviteit σ P P P,P,...P Verdeling van coponent over niet-engbare fasen i/j k 2 [ ] i [ ] j n Massabalans voor een open doorstrood systee in stationaire toestand Σ Ideale Gaswet ( ϕ ) Σ( ϕ ) in uit PV nrt kg s Verdeling van het binair engsel /B over fasen i/j: scheidingsfactor c.q. relatieve vluchtigheid n-traps tegenstrooextractie ntoine Raoult p X pº De evenwichtslijn Werklijn van de strippende sectie Voedingslijn Uitwendige refluxverhouding α B k k ks x n x 0 n+ ks log(p ) L' V' B [ ] i [ ] j [ B] i [ B] j its T B + C αx ks [ ] i [ B] i [ ] j [ B] ( α ) X + L' V' j [ ] [ B] i c.q. X [ ] [ B] X continue destillatie Dalton j D + B (Z) X DX D + BX B p P Voor een binair engsel /B: k k B α B Uitwendige Refluxverhouding Werklijn van de rectificerende sectie Inwendige Refluxverhouding Scheidingsvolgorde: inialiseer p p B X X R X + X B X + XD L X V + + L V X L"/V" R -L"/V" L" V" L" V" L" V" L" D R R + PTX040.DOC 9 / 0

10 Enthalpiebalans Voelbare warte ( ϕ ) Σ( ϕ h ) Σ h q + was uit in diabatisch systee, zonder asarbeid: Latente warte Σ( ϕ h ) Σ ϕ uit ( h ) in h sens cpdt h c p dt cp T h vap h g - h l (bij kookpunt) h fus h l - h s (bij seltpunt) lleen voelbare warte: ϕ h ϕ h ϕ h ϕ c p T Voor een wartewisselaar ook: bc forule: ϕ U h T LM ax bx c T LM Tlinks T Tlinks ln T rechts rechts ± x 2a 2 b b 4ac Reactoren: Massabalans opstellen voor (zelf te kiezen) sleutelcoponent en over een (zelf te kiezen) controle volue. lgeene aannae: Dichtheid constant Model reactors: Ideal batch reactor (BR) Ideal plug flow reactor (PR) Continuously operated, ideally stirred tank reactor (CISTR) accuulatie toevoer afvoer + productie dvc ( c, c) φv, in C, in φv, uit C, uit + R Vc ( ol / s) dt et V controlevolue 3 : c ( ) C ol concentratie ( ) 3 ol ( ) R ozettingssnelheid van 3 s n n fie( k, C,..., C ) X PTX040.DOC 0 / 0