MODULEHANDLEIDING. van de module. Procestechnologie 3 (PROC III)

Transcriptie

1 MODULEHANDLEIDING van de module Procestechnologie 3 (PROC III) Auteur: R. Boetes Revisie: T. Schmeetz Versie: Datum: april 2013 Inhoud: 1. Beginvereiste Relatie met andere modules Introductie Doelstelling Inhoud module Leermiddelen Werkvormen; studiebelasting; studiepunten Beoordeling Frequentie tentamen/hertentamen Regels rondom tentamen/hertentamen Omschrijving (her)tentamen Studierooster Voorbeeldtoets... 6

2 1. Beginvereiste Vanuit jaar 1 het vakken CHTE I en PROC I (inclusief PRAS) Vanuit jaar 2 het vak PROC II. 2. Relatie met andere modules Deze module gaat over warmteoverdracht en (continue) filtratie. Warmteoverdracht speelt in bijna elk technisch proces een rol. Denk bijvoorbeeld aan het op temperatuur brengen van een bioreactor, of het afvoeren van reactiewarmte bij een exotherme reactie. In de module PRAS I kom je warmtewisselaars tegen in de recycle-leiding van de absorbeur en de reactor. In de module reactorkunde wordt vaak aangenomen dat reacties isotherm zijn. Dat impliceert dat een warmtewisselaar de vrijgekomen warmte opneemt. Omdat warmtewisselaars altijd werken met stromende vloeistoffen of gassen is er een duidelijke relatie met de module CHTE1 (Stroming van vloeistoffen). Ook de massabalansen zijn nodig om bij warmteoverdrachten berekeningen te kunnen maken, daardoor is de voorkennis opgedaan in modulen PROC I en II noodzakelijk Vaak wordt het berekenen van de overgedragen warmte apart uitgevoerd. De overgedragen warmte wordt in gerelateerde modules dan als een apart gegeven beschouwd, waardoor de relatie die er dan is met het onderwerp warmteoverdracht niet altijd goed zichtbaar is. Het onderwerp filtratie uit module PROC II wordt in deze module PROC III uitgebreid met wassen van de filterkoek, cyclus optimalisatie en continue filtratie 3. Introductie Een van de belangrijkste natuurwetten is die van behoud van energie. Deze wet zegt dat energie niet verloren gaat of uit het niets ontstaat*). Dat betekent dat een hoeveelheid warmte, uitgedrukt in Joules, die een bepaald fysisch of chemisch proces in gaat aan het einde van dat proces teruggevonden wordt als warmte in de uitgaande processtromen, of in de vorm van een veranderde energieinhoud van het proces zelf (veranderde procestemperatuur), of in de vorm van arbeid. In deze module gaat het om de overgedragen thermische energie. Arbeid die op een proces verricht wordt zal in deze module niet meegenomen worden. Dat hoort bij het vakgebied Warmteleer of Fysische Thermodynamica. Voorbeeld van warmteoverdracht: Stoom gaat een warmtewisselaar in en draagt daar warmte over aan een processtroom. De energie-inhoud van de stoom neemt af. Bij een goed geïsoleerde warmtewisselaar neemt de energie-inhoud van de processtroom evenveel toe als dat die van het stoom afgenomen is. Het wordt anders als de processen complexer worden. Verliezen naar de omgeving moeten dan in rekening gebracht worden. Ook instationaire verschijnselen maken het rekenwerk moeilijker. *) Nucleaire reacties in kerncentrales, kernwapens, nucleaire aandrijvingen en zonnestelsels zijn hierop de enige uitzonderingen; daar ontstaat energie uit massa. PROC III Pagina 2 van 7 versie:

3 3.1. Doelstelling Deze module beoogt basiskennis aan te brengen over warmteoverdracht, die toegepast kan worden in industriële chemische en biochemische processen. Daarnaast wordt beoogd basiskennis aan te brengen over het uitwassen van een filterkoek, het optimaliseren van de cyclustijd in een filtratieproces en over continue filtraties Inhoud module De volgende begrippen beschrijven tezamen de module-inhoud. Stationaire warmteoverdracht door geleiding en convectie (geen straling) 10 Tegenstroom en meestroom warmtewisselaar 10 Geleiding in meerlagen-structuur, parallelle platen en cilindergeometrie 10 Warmteweerstand, Nusseltgetal, 10 Gedwongen convectie, natuurlijke convectie. 10 Shell and tube warmtewisselaars. 10 Filtratie met uitwassen, cyclus optimalisatie en continue filtratie 10 Tentamenvoorbereiding 5 Totaal aantal SBU's: Leermiddelen Boek: Coulson & Richardson, Chemical Engineering volume 1, Butterworth- Heinemann. Amsterdam. Procestechnologie deel 4 Vapro Sheets: via Blackboard Uitwerkingen opgaven: via Blackboard. 5. Werkvormen; studiebelasting; studiepunten Werkvorm: Hoorcolleges gedurende 8 weken. Per week: 90 minuten theorie en opgaven. Zelfstudie op basis van boek, sheets en oefensommen Studiebelasting: 28 klokuren Studiepunten: 2 EC PROC III Pagina 3 van 7 versie:

4 6. Beoordeling In dit hoofdstuk komt informatie aan bod rondom het tentamineren. Per jaar: 6.1. Frequentie tentamen/hertentamen Eén tentamen van 90 minuten. Eén hertentamen van 90 minuten 6.2. Regels rondom tentamen/hertentamen Cijfers: Schaal van 1 tot 100 Voldoende resultaat: een cijfer van 55 of hoger Er bestaat geen compensatieregeling. Bodempunt: zie norm in Opleiding- / examenreglement (OER ) Het hertentamen-cijfer vervangt het vorige cijfer, tenzij dat vorige cijfer hoger was (het hoogste cijfer geldt). Voor alle tentamens en hertentamens moet tijdig worden ingeschreven bij Bureau Onderwijs 6.3. Omschrijving (her)tentamen Gesloten boek tentamen met open vragen. Het gebruik van een (grafisch) rekenmachine en één A4-tje met formules en aantekeningen is toegestaan. PROC III Pagina 4 van 7 versie:

5 7. Studierooster Inhoud Hoofdstuk: 9.1 t/m 9.2.1; 9.3 t/m Sheet 1 t/m 9 Hoofdstuk: vanaf Heating and cooling of solids and particles (blz 401)tot Heating and melting of fine particles (blz 410). Sheet 10 t/m 19 Hoofdstuk tot Example 9.9 (sla gerust de afleiding op blz 423 en 424 over) Hoofdstuk Sheet 20 t/m 36 Hoofdstuk: 9.9 t/m Sheet 37 t/m 51 Hoofdstuk: 9.11 Sheet 52 t/m 58 Tussentijdse oefenen 24.1: filtratie 24.2: factoren 24.3: batch filtratie 24.4: continue filtratie Voorbeelden (VB) / Opgaven in de tekst Oefenopgaven: H9: 7, 8, 22, 23, 34, 35, 59, 67, 72 Oefenopgaven: H9: 17, 39 (mcp=0, = 62,7 J/K, condensatiewarmte stoom = 2216 kj/kg), 42 (mcp=0, = 125,4 J/K) Oefenopgaven: H9: 51, 68, 69 Oefenopgaven: H9: 6, 11 (k staal = 45 W/mK), 12 Oefenopgaven H9: 18, 21 (cp=4190 J/kg K) Coulson & Richardson VB: 1 Vraag: 1; 2; 3; 4; 5; 6; Vraag: 7 VB:2 Vraag: 8; 9; 10; 11; VB:3 Vraag: 12; VB: 4 Vraag: 13; 10; 11; 12; 13; Vraag: 14; 8 Oefententamen Zelftoets vragen PROC III Pagina 5 van 7 versie:

6 8. Voorbeeldtoets Module PROC III Studentnaam Docent Dr.ir.R.Boetes Studentnummer Status Oefententamen Hulpmiddelen (grafisch) rekenmachine, eigen A4tje. Datum Bladzijde 2 pagina s Aantal losse bijlagen Tijdstip Max. toetsduur 90 minuten X-klas 120 minuten Klas CT2 Cijfer bekend uiterlijk Volgens norm Opgave 1. (30 punten) Een 50 m lange stoomleiding is geïsoleerd met een kurklaag. De stalen leiding (k staal = 45 J/(s.m.K)) heeft een inwendige straal van 31,5 mm en een uitwendige straal van 36,5 mm. De kurklaag heeft een dikte van 20 mm. De kurklaag (k kurk = 0,06 J/(s.m.K)) is afgesmeerd met een pleisterlaag (k pleister = 0,5 J/(s.m.K)) van 5 mm dikte. De stoomtemperatuur die C bedraagt is gelijk aan de temperatuur aan de binnenzijde van de pijp. De buitenkant van de pleisterlaag heeft een temperatuur van 30 0 C. a. Bereken het warmteverlies van deze leiding in J/s. (10) b. Bereken de temperatuur aan het genoemde grensvlak kurk-pleister. (10) c. Als α u = 25 J/(s.m 2.K), bereken dan de temperatuur van de buitenlucht. (10) Opgave 2. (35 punten) Via een stoomspiraal wordt een goed geroerde batchreactor verwarmd. Zolang de reactortemperatuur lager is dan 120 o C condenseert alle stoom aan de (koude) reactorinhoud en de gemeten condensaatstroom is dan 12 liter per minuut. Condensatiewarmte is 2200 kj/kg. De reactor heeft oorspronkelijk een temperatuur van 20 o C en moet opgewarmd worden. De reactor met inhoud mag opgevat worden als één massa van 2000 kg met een gemiddelde soortelijke warmte van 4150 J/kgK. De Overall heat transfercoefficient U tussen reactorwand en omgevingslucht (20 o C) is 0,3 W/m 2 K. Warmteverliezen vanaf het vloeistofoppervlak kunnen beschreven worden op basis van een U met een waarde van 0,8 W/m 2 K. De reactor met vlakke bodem heeft een diameter van 1,3 m. en een vulhoogte van 1,26 m. Stel een differentiaalvergelijking op voor de opwarming van de reactorinhoud. Probeer als B t oplossing T Ae C en bepaal de tijd nodig voor opwarmen tot 80 o C. PROC III Pagina 6 van 7 versie:

7 Opgave 3. (35 punten) Een warmtewisselaar met twee passages aan de shell -zijde en vier passages aan de tube - zijde wordt gebruikt om restwarmte van een productstroom (P) over te dragen aan de voedingsstroom (F) van een destillatiekolom. Zowel P als F zijn vloeistoffen. Gegeven: Stroom P: Stroom F: m = 2 kg/s m = 1,5 kg/s c p =1500 J/kgK c p =2500 J/kgK T in = 120 o C T in = 20 o C T uit = 40 o C filmcoëfficiënten h i = 1000 W/m 2 K h o = 1500 W/m 2 K Buiseigenschappen d i = 20 mm d u =24 mm. k metaal = 50 W/mK Gevraagd: a. Bereken de uitgaande temperatuur van stroom F. (10) b. Bereken de waarde van U [W/m 2 K], betrokken op de uitwendige maten. (10) c. Bereken het benodigde warmtewisselend oppervlak. (15) Antwoorden: 1 a. Q=6320 J/s 1 b. T 3 = 33,4 o C 1 c. T lucht =16,9 o C. 2. t=1133 s. 3 a. T uit,f = 84 o C 3 b. U u =523,4 W/m 2 K 3 c. A u =24,1 m 2. >>>>>>> OPGAVEN INLEVEREN <<<<<<<< PROC III Pagina 7 van 7 versie: