UNIVERSITEIT TWENTE CT-ST GESLOTEN-BOEK TOETS VAK: PROJECT PROCESTECHNOLOGIE DOCENT Prof. Dr. G. Mul e Dr. L. va der Ham DATUM: Vrijdag 22 November 2013 TIJD: 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 i zij geheel door voordat je met de uitwerkig begit. Werk etjes e bekopt, e wees vooral duidelijk. - Het totaal aatal pute va deze gehele toets is 100 - Oderdeel A maximaal 60 (20 + 40) - Oderdeel B maximaal 40 (40) 1
ONDERDEEL A Korte vrage (4+4+2+10 pute) Vraag A1 a) Bereke het gemiddeld molecuul gewicht va lucht, aaemede dat dit 20% zuurstof, 77% stikstof e 3% Ar bevat (atoom gewicht Ar = 40 g/mol) b) Leid met behulp va de ideale gas wet ee formule voor de dichtheid va ee gas af, zijde ee fuctie va (MW, R,T, P). c) Schrijf i woorde de algemee massabalas vergelijkig voor ee proces op. Waeer is ee proces statioair, e waeer trasiet? d) Oderstaad is ee proces-schema voor ee iet reactief proces (otzoute water) weergegeve. Er zij 3 balase op te stelle voor dit proces. Welke? Zij deze alle oafhakelijk? Wat is dus het aatal vrijheidsgrade voor dit proces? Kies ee stelsel va 2 vergelijkige uit, e bereke hoeveel zeewater aa het proces moet worde toegevoegd (3,5% zout) om 0.5 m 3 drikwater (1% zout) te producere. 2
Massabalas reactief proces (40 pute) Vraag A2 Op ee raffiaderij komt bij de otzwavelig va bradstoffe H 2 S vrij. Dit H 2 S moet verwerkt worde tot zwavel (S 8 ). Hiervoor wordt H 2 S gedeeltelijk omgezet i SO 2 waara via de Claus evewichtsreactie (zie hieroder) elemetair zwavel wordt gevormd. 2 H 2 S + SO 2 3/8 S 8 + 2 H 2 O Voor het Claus proces wordt ee reactor met recycle e spui gebruikt. De voedig #1 va 100 mol/s bestaade uit 1 mol% N 2, 66 mol% H 2 S e 33 mol% SO 2, wordt gemegd met ee recycle stroom #9. Dit levert de voedigsstroom #2 voor de reactor. H 2 S e SO 2 reagere gedeeltelijk tot zwavel e water (zie reactie). De stroom a de reactor #3 wordt eerst door ee fase scheider geleid, waarbij allee 100% S wordt afgescheide (#4) e stroom #5 overblijft. Deze wordt door middel va ee membraa opieuw gescheide, met als doel het verwijdere va water. Uit stroom #5 wordt zo ee stroom #6 va zuiver water gevormd, ter grootte va 75% de waterhoeveelheid va stroom #5. Stroom #7 is de adere stroom die de membraa module verlaat, welke teves de recyclestroom wordt, adat ee gedeelte is gespuid (spui is stroom #8 e de recycle dus #9). Er is gegeve dat stroom #6 uit 60 mol/s zuiver water bestaat. Va spuistroom #8 is beked dat die o.a. 4 mol/s water bevat. a) Teke het proces e label alle strome. b) Bereke de hoeveelheid elemetair zwavel (S 8 ) die het proces verlaat i stroom #4. c) Bereke de grootte e samestellig va spuistroom #8 d) Bereke de grootte e samestellig va stroom #7 e) Maak ee tabel met compoete (molecule aawezig i het proces verticaal e stroom ummer horizotaal e vul deze helemaal i (cotroleer of de massabalas klopt) f) Wat is de coversie va H 2 S per gag door de reactor, e voor het hele proces? 3
Formuleblad ACCUMULATIE = IN UIT + PRODUCTIE coversie opbregst P A P A A P i A i gewoe uit theoretisch maximaal atome X molecule Y Yi Yuit Xi Ygevormd Xuit Yafgebroke X Y selectiviteit Abc formule: A P 1 A 2 2 4 ax bxc0 x A P1 P,P,...P b b ac 2a Reactore: Massabalas opstelle voor (zelf te kieze) sleutelcompoet e over ee (zelf te kieze) cotrole volume. Algemee aaame: Dichtheid costat Model reactors: Ideal batch reactor (BR) Ideal plug flow reactor (PFR) Cotiuously operated, ideally stirred tak reactor (CISTR) 1 2 Massabalas voor ee ope doorstroomd systeem i statioaire toestad m 1 l( ) ( ) dx a x a x kg s accumulatie toevoer afvoer productie i dvc ( c A, c) V, i CA, i V, uit CA, uit RA Vc ( mol A/ s) dt 3 m met : V volume debiet ( ) s mol A CA cocetratie A ( ) 3 m mol A ( ) RA omzettigsselheid va A m 3 s m uit V c fuctie ( k, C,..., C ) cotrolevolume A X 3 ( m ) 4
ONDERDEEL B: Destillatie (totaal 40 pute) Ee megsel va 250 mol/s Bezee / Ethylbezee wordt gescheide door destillatie. De voedig bevat 60% Bezee e wordt gescheide i ee destillaat met 97.5% Bezee e ee bodemstroom met 2.5 % Bezee. Atoie costate (zie formule blad voor Atoie vergelijkig): bezee: A = 4.726 B = 1661 C = 271.7 ethylbezee: A = 4.075 B = 1419 C = 212.6 I de appedix staa twee YX-diagramme voor dit biaire systeem. Vrage (laat i je atwoord duidelijk zie hoe je aa het atwoord komt!): a b c d Bereke de relatieve vluchtigheid (α) va dit systeem bij 90 C. bereke de totale dampspaig va deze voedig aageome het is ee vloeistof op kookput. bereke de hoeveelheid destillaat (D) e bodem product (B) (i mol/s) Bepaal het miimum aatal evewichtstrappe die odig zij voor deze scheidig (zie appedix voor yx-curve) Er is gegeve dat de 3 werklije elkaar sijde i het put (x,y) = (0.4, 0.75). e Bepaal/bereke de reflux ratio e de thermische coditie (q) va de voedig voor deze scheidig. Welk percetage va de voedig is damp? f Bepaal het aatal evewichtstrappe die odig zij voor deze scheidig waarbij de voedig éé trap bove de optimale voedigstrap zit. g Bepaal de miimum reflux ratio R mi e bereke de verhoudig R/R mi. Gegeve: de verdampigswarmte va Bezee = 30.8 kj/mol e Ethylbezee = 35.6 kj/mol. h Bereke de hoeveelheid koelig die odig is i de codesor (duty, i MW). p.s. Idie je oderdeel a iet ko oplosse, veroderstel da bij b: P bezee = 0.75 bar e P ethylbezee = 0.15 bar. Idie je oderdeel e iet ko oplosse, eem da R = 0.7. 5
Toets: Project Procestechology 22 ovember 2013 NAAM: Deze bijlage ilevere met de rest va je werk. 6
Toets: Project Procestechology 22 ovember 2013 NAAM: Deze bijlage ilevere met de rest va je werk. 7
Formuleblad voor Procestechologie: oderdeel Destillatie Atoie Equatio: p i bar ad T i C. Dalto Equatio p A = Y A P Relative volatility for biairy mixture A/B: Operatig lie of top (rectifyig) sectio Reflux ratio: log 10 (p) A B T C k A k B AB p A p B Y L V X D V X D Y R R1 X 1 R1 X D Y X 1Y 1 X R L D or R L /V 1 L /V cotiuous distillatio F = D + B F Z F = (F X F ) = D X D + B X B Raoult Equatio p A = X A pº A Equilibrium lie: Operatig lie of bottom (strippig) sectio Feed lie: Y Y X 1 X 1 Y L' V ' X B V ' X B q q1 X Z F q1 Defiitio q: q heat required to vaporize1 mol of feed heat of vaporizatio of 1 mol of liquid feed 8