Tentamen Procestechnologie 1 Maandag 22 augustus 2011

Transcriptie

1 Tentamen Procestechnologie Maandag augustus Opgave Het Haber-Boschproces, waarvan hierboven een vereenvoudigd schema, is de wijze waarop de meeste ammoniak wordt geproduceerd, door stikstofgas en waterstofgas zonder zuurstof in contact met een katalysator onder hoge druk te verhitten. De reactie heeft de volgende reactievergelijking N (g) + H (g) NH (g) Δ r H = 9 kj / mol a. Beantwoord kort en bondig de volgende vragen. aarom moet zuurstof verwijderd worden als lucht gebruikt wordt als stikstofbron?. elke overwegingen leiden tot een optimale temperatuur van rond de o C?. aarom is een hoge druk van rond de MPa gunstig voor de reactie?. De aanvoerstroom van het proces bevat resten methaan. aar zouden die vandaan kunnen komen?. Is het mogelijk dat methaan als verontreiniging in het (vloeibare) product terechtkomt? b. In is wereldwijd 9,, ton ammoniak geproduceerd, waarvan in China 8.%. Voor dat land gaan we nu een aantal kentallen berekenen. Hoeveel was de gemiddelde productie in kg/s?. Bereken het vloeistofdebiet (m /s) ammoniak (massagetal 7, specifieke massa.86) dat werd geproduceerd?. Als de reactanten als gasmengsel van stikstof en waterstof stoïchiometrisch werden aangeboden, hoe groot was dan de aanvoerstromen (kg/s)? Verwaarloos daarbij verontreinigingen en verliezen door venting.. at is het hierboven berekende aanvoerdebiet in normaal m /s?. at is de gemiddelde molaire massa van de aanvoerstroom? c. Bereken voor een productiestroom van. kg ammoniak per seconde de vereiste koeling (M) om de temperatuur van de reactor constant te houden. d. Van de aangevoerde gasstroom moet de druk worden opgevoerd van omgevingsdruk en -temperatuur naar MPa. Bereken de benodigde arbeid voor een stroom van kmol/s. Het druk opvoeren verloopt zo snel dat warmteuitwisseling met de omgeving niet plaatsvindt. e. Voer een vrijheidsgradenanalyse uit van het totale systeem en de onderdelen (mengpunt, reactor, scheider, en afscheider ( vent )). De toevoer bevat mol% methaan en de reactanten worden stoïchiometrisch aangeboden. De toevoer wordt gemengd met de teruggevoerde reactanten van de scheider en vervolgens de reactor ingevoerd. De conversie van de reactor is /. De scheider haalt alle ammoniak uit de toegevoerde stroom. De andere gassen worden teruggevoerd waarbij % wordt afgevoerd naar buiten ( vent ).

2 Opgave Het bioethanolproces (C H 6 O, molmassa 6, specifieke dichtheid.79) kent een aantal essentiële stappen en een daarvan is de destillatie waar het waterpercentage wordt gereduceerd tot onder de.%. Een vereenvoudigd processchema van een destillatie-eenheid is hieronder gegeven. De aanvoerstroom, clarified wine, bestaat voor. kg/s uit gist,. kg/s ethanol,.9 kg/s water en. kg/s olieachtige componenten. Deze aanvoer wordt gemengd met het ethanol/watermengsel (. massa%) dat uit de opvolgende filtratiestap komt en wordt toegevoerd aan de destillatiekolommen. De destillatie gaat niet verder dan het azeotropische mengsel (.6 volume procent), de geproduceerde ethanol zowel als de foezelolie hebben een verwaarloosbaar watergehalte. a. Beantwoord kort en bondig de volgende vragen. at is de beoogde toepassing van bioethanol?. elke grondstoffen worden gebruikt voor de productie van bioethanol?. at zijn de procescondities?. Noem de twee belangrijkste synthesestappen met een reactievergelijking?. at is een belangrijk nevenproduct van het bioethanolproces? b. Teken een stroomschema en geef daarin de procesvariabelen aan. c. Maak een vrijheidsgradenanalyse van het gehele systeem en van de samenstellende eenheden. d. Bereken aan de hand van onderstaande gegevens het minimale energieverbruik van de destillatiestap. a hierbij uit van een vloeistofstroom van het azeotropische vloeistofmengsel (.6 volume procent ethanol, kg/s) die wordt opgewarmd van o C tot 8 o C en vervolgens volledig wordt omgezet in damp van dezelfde samenstelling. Kookpunt ( o C) Δ (kj/kg) C (J/(K g)) vap H Ethanol ater.. p Opgave In een tank wordt 9 kg natriumnitraat opgelost in kg water. Daarna, op t, wordt zuiver water toegevoegd met een snelheid en met dezelfde snelheid wordt de oplossing uit de tank afgevoerd. De tank mag worden beschouwd als ideaal gemengd. a. eef de totale massabalans voor de tank en gebruik die om te bewijzen dat de totale massa van de tank gelijk blijft aan de beginwaarde. b. eef de massabalans voor het natriumnitraat met daarin (, t ) de massafractie NaNO. Schrijf deze om naar een vergelijking voor d / dt en formuleer een beginconditie. c. Schets in een grafiek van tegen t het gedrag dat u zou verwachten bij massastromen gelijk aan, en kg/min. Beredeneer het gedrag, u hoeft geen berekeningen te doen. d. Leidt een vergelijking af voor als functie van en t ; controleer uw antwoord. e. Als m kg/min, hoe lang duurt het dan voordat het natriumnitraat voor 99% is verdwenen? van

3 Uitwerking tentamen Procestechnologie Maandag augustus Kleurcode roen: alleen nieuwe stijl, Zwart: allen, Rood: alleen oude stijl Opgave Het Haber-Boschproces, waarvan hierboven een vereenvoudigd schema, is de wijze waarop de meeste ammoniak wordt geproduceerd, door stikstofgas en waterstofgas zonder zuurstof in contact met een katalysator onder hoge druk te verhitten. De reactie heeft de volgende reactievergelijking N (g) + H (g) NH (g) Δ r H = 9 kj / mol a. Beantwoord kort en bondig de volgende vragen. aarom moet zuurstof verwijderd worden als lucht gebruikt wordt als stikstofbron? Er ontstaat anders koolmonoide.. elke overwegingen leiden tot een optimale temperatuur van rond de o C? Bij lage temperaturen verloopt de reactie te langzaam, bij hogere temperaturen komt men dicht bij het evenwicht, de teruggaande reactie wordt even belangrijk.. aarom is een hoge druk van rond de MPa gunstig voor de reactie? Dit wordt verklaard met het principe van Le Chatelier, uit deeltjes worden deeltjes gemaakt in de vooruitgaande reactie. Een hogere druk zal de reactie naar rechts bevoordelen.. De aanvoerstroom van het proces bevat resten methaan. aar zouden die vandaan kunnen komen? Voorafgaand aan de ammoniasynthese kan methaan gebruikt zijn om waterstof te vormen met een steam reformer.. Is het mogelijk dat methaan als verontreiniging in het (vloeibare) product terechtkomt? Een kleine fractie methaan kan oplossen in ammoniak, maar kan worden getolereerd. b. In is wereldwijd 9,, ton ammoniak geproduceerd, waarvan in China 8.%. Voor dat land gaan we nu een aantal kentallen berekenen. Hoeveel was de gemiddelde productie in kg/s?.8 9,, ton kg jaar dag h = = 98 kg/s jaar ton 6 dag h 6 s. Bereken het vloeistofdebiet (m /s) ammoniak (massagetal 7, specifieke massa.86) dat werd geproduceerd? m 98 m/s m/s V = = = ρ.86. Als de reactanten als gasmengsel van stikstof en waterstof stoïchiometrisch werden aangeboden, hoe groot was dan de aanvoerstromen (kg/s)? Verwaarloos daarbij verontreinigingen en verliezen door venting. Onder de genoemde voorwaarden is de aanvoermassastroom even groot als de afvoermassastroom.

4 . at is het hierboven berekende aanvoerdebiet in normaal m /s? normaal m gas heeft is de hoeveelheid mol gas bij 7 K en atm. e berekenen dus eerst de molaire stroom en vermenigvuldigen dat met de normaal m. m RT V = ( + ) = M p 7 NH normaal m /s 6 normaal m /s. at is de gemiddelde molaire massa van de aanvoerstroom? e gaan uit van een gemiddelde op basis van de molfracties M = MN + M 8 g/mol 8. g/mol H = + = c. Bereken voor een productiestroom van. kg ammoniak per seconde de vereiste koeling (M) om de temperatuur van de reactor constant te houden. De warmteproductie door de reacties bedraagt m. Q = Δ rh = (-9) kj/s =. M M 7 NH d. Van de aangevoerde gasstroom moet de druk worden opgevoerd van omgevingsdruk en -temperatuur naar MPa. Bereken de benodigde arbeid voor een stroom van kmol/s. Het druk opvoeren verloopt zo snel dat warmteuitwisseling met de omgeving niet plaatsvindt. De verrichtte arbeid is het verschil in enthalpie-inhoud van de stroom na de pomp en voor de pomp. Het enthalpieverschil is evenredig met het temperatuurverschil, dus Tuit = nδ H = nc ptin Tin 7 waarin voor tweeatomige gassen (grotendeels H ) de warmtecapaciteit gelijk is aan c = R e nemen aan dat het gas als ideaal beschouwd mag worden in welk geval pv = nrt. Verder geldt voor adiabatische compressie pv γ = constant, met γ = c / c = /voor eenatomige en γ = 7/ T uit p uit tweeatomige gassen, waaruit volgt, dat =. Tin pin e berekenen nu de verrichtte arbeid als / γ /7 7 p 7 uit = nδ H = n RT in = 98. M p in. e. Voer een vrijheidsgradenanalyse uit van het totale systeem en de onderdelen (mengpunt, reactor, scheider, en afscheider ( vent )). De toevoer bevat mol% methaan en de reactanten worden stoïchiometrisch aangeboden. De toevoer wordt gemengd met de teruggevoerde reactanten van de scheider en vervolgens de reactor ingevoerd. De conversie van de reactor is /. De scheider haalt alle ammoniak uit de toegevoerde stroom. De andere gassen worden teruggevoerd waarbij % wordt afgevoerd naar buiten ( vent ). / γ p V p voor van

5 Processchema Vrijheidsgradenanalyse Totale systeem n N. 7,N n H.7 7,H n r n = + n 7 n CH. 7,CH n. NH 7,NH o 8 onbekenden: n, r, n, n,,,, o vergelijkingen: molbalansen, molfractiesom. o vrijheidsgraden Mengpunt n N. 6,N,N n H.7 6,H,H n = + n 6 n n CH. 6,CH,CH n. NH 6,NH,NH 7 7,N 7,H 7,CH 7,NH o onbekenden: n, n,,,,, n,,,, 6 6,N 6,H 6,CH 6,NH,N,H,CH,NH o 6 vergelijkingen: molbalansen, molfractiesommen. o vrijheidsgraden Reactor n N,N,N nh,h,h n r = + n n CH,CH,CH n NH,NH,NH o onbekenden: n,,,,, r, n,,,,,n,h,ch,nh,n,h,ch,nh o 7 vergelijkingen: molbalansen, molfractiesommen, conversie. o vrijheidsgraden Scheider van

6 n N,N,N nh,h,h n n = n n CH,CH,CH n NH,NH o onbekenden: n,,n,,h,,ch,,nh, n, n,,n,,h,,ch o 6 vergelijkingen: molbalansen, molfractiesommen o vrijheidsgraden Afscheider n N,N 6,N 7,N n H,H 6,H 7,H = n n6 n7 n = CH,CH 6,CH 7,CH n NH o onbekenden: n,,,, n,,,, n,,, o 7 vergelijkingen: molbalansen, molfractiesommen, ratio n 7/ n o vrijheidsgraden,n,h,ch 6 6,N 6,H 6,CH 7 7,N 7,H 7,CH f. Bereken het waterstofgehalte van het afgevoerde gas aan de hand van de gegevens in de voorgaande deelopgave. Hint: noem de molfractie en de aanvoerverhouding bij het mengpunt.96p en reken dit door alsof die gegeven zijn. a uit van de samenstelling van het afvoergas uit de scheider en noem die,n,h n,ch dan is de gasstroom die de reactor in gaat gegeven door,n.,n,h.7,h n n = +.96n,CH.,CH,NH Dus voor de reactor geldt,n.,n,h.7,h n n.96n r = +,CH. +,CH,NH De conversie is gegeven als /, dus r = (.n +.96,N n ) ( ).7n +.96,H n 9 Hieruit volgt in ieder geval dat,h =,N = en vervolgens dat,n..6,h.7.8 n n.96n (.n.96n) n.6n = = +,CH.. 6.6,NH Na de scheider is van

7 .6.8 n = n +.6n. 6 waaruit is op te lossen n =.78n en.6. Hiermee is het antwoord te leveren: de waterstofmolfractie van het afvoergas ( vent ) is 8% van

8 Opgave Het bioethanolproces (C H 6 O, molmassa 6, specifieke dichtheid.79) kent een aantal essentiële stappen en een daarvan is de destillatie waar het waterpercentage wordt gereduceerd tot onder de.%. Een vereenvoudigd processchema van een destillatie-eenheid is hieronder gegeven. De aanvoerstroom, clarified wine, bestaat voor. kg/s uit gist,. kg/s ethanol,.9 kg/s water en. kg/s olieachtige componenten. Deze aanvoer wordt gemengd met het ethanol/watermengsel (. massa%) dat uit de opvolgende filtratiestap komt en wordt toegevoerd aan de destillatiekolommen. De destillatie gaat niet verder dan het azeotropische mengsel (.6 volume procent), de geproduceerde ethanol zowel als de foezelolie hebben een verwaarloosbaar watergehalte. a. Beantwoord kort en bondig de volgende vragen. at is de beoogde toepassing van bioethanol? Brandstof voor auto s.. elke grondstoffen worden gebruikt voor de productie van bioethanol? Suikers afkomstig uit saccharose, zetmeel, lignocellulose; bijvoorbeeld rietsuiker.. at zijn de procescondities? o C, atmosferische druk.. Noem de twee belangrijkste synthesestappen met een reactievergelijking? Hydrolyse saccharose: CHO + HO C6HO6 Fermentatie: C6HO6 CH6O + CO. at is een belangrijk nevenproduct van het bioethanolproces? Elektrische stroom (cogeneratie). b. Teken een stroomschema en geef daarin de procesvariabelen aan..6 volumeprocent komt overeen met.6 massaprocent ethanol in water. 6 van

9 c. Maak een vrijheidsgradenanalyse van het gehele systeem en van de samenstellende eenheden. Totale systeem E , = , m O.. o onbekenden, 6, 6,, 6,, 7 o vergelijkingen: massabalansen, massafractiesom. o vrijheidsgraden Mengpunt E.79., E , = + m., m O., O o 6 onbekenden:,,, E,,,,,, O o vergelijkingen: massabalansen, massafractiesom o vrijheidsgraden Destillatie E, E.6,.96 6, = 6 7, 6, m O, O. o onbekenden:,,,,,,,,,, E,,, O 6 6, 6, 7 o 6 vergelijkingen: massabalansen, massafractiesommen. o vrijheidsgraden Filtratie E = m O o onbekenden:,, o vergelijkingen: massabalansen o vrijheidsgraad 7 van

10 d. Bereken alle stromen en hun samenstelling met betrekking tot de aardgasstroom. Totale systeem E , = , m O.. Uit destillatie.79.kg/s Foezellie 7..kg/s Vinasse = 8. kg/s, ( ) 6 6, =.9 /8..96, 6, =.96. Filtratie E = m O.6 = +. = /.97 Voeding filtratie = = 9. kg/s /.97 Retour = = 9.. kg/s = 89.9 kg/s Mengpunt E.79., E , = + m., m O., O Destillatievoeding = + = kg/s.7 kg/s Ethanol, E = ater, =.96.m ist =,. =.m Olie =, O. = 8 van

11 e. Bereken aan de hand van onderstaande gegevens het minimale energieverbruik van de destillatiestap. a hierbij uit van een vloeistofstroom van het azeotropische vloeistofmengsel (.6 volume procent ethanol, kg/s) die wordt opgewarmd van o C tot 8 o C en vervolgens volledig wordt omgezet in damp van dezelfde samenstelling. Kookpunt ( o C) Δ H vap (kj/kg) C p (J/(K g)) Ethanol ater.. Ethanol Massastroom m E =.6 k g/s Opwarming mc E pδ T=.6. kj/s = k Verdamping EΔ vaph =.6 88 kj/s = 7 k Samen. M ater Massastroom m = 96. k g/s Opwarming mc E pδ T= 96.. kj/s. M Verdamping EΔ vaph = 96. kj/s = 6.9 M Samen 7. M Totaal. M, grotendeels voor het water vanwege grotere aandeel en grotere warmteeffecten. 9 van

12 Opgave In een tank wordt 9 kg natriumnitraat opgelost in kg water. Daarna, op t, wordt zuiver water toegevoegd met een snelheid en met dezelfde snelheid wordt de oplossing uit de tank afgevoerd. De tank mag worden beschouwd als ideaal gemengd. a. eef de totale massabalans voor de tank en gebruik die om te bewijzen dat de totale massa van de tank gelijk blijft aan de beginwaarde. b. eef de massabalans voor het natriumnitraat met daarin (, t ) de massafractie NaNO. Schrijf deze om naar een vergelijking voor d / dt en formuleer een beginconditie. c. Schets in een grafiek van tegen t het gedrag dat u zou verwachten bij massastromen gelijk aan, en kg/min. Beredeneer het gedrag, u hoeft geen berekeningen te doen. d. Leidt een vergelijking af voor als functie van en t ; controleer uw antwoord. e. Als m kg/min, hoe lang duurt het dan voordat het natriumnitraat voor 99% is verdwenen? van

13 van