NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Transkript

1 Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Faglig kontakt under eksamen: Navn: Gabriele Pipitone Tlf.: / Språkform: Blandet EKSAMEN I EMNE TEP 4230 ENERGI OG PROSESSTEKNIKK Mandag 13. desember 2004 Tid: kl. 09:00-14:00 Hjelpemidler: D: Typegodkjent lommekalkulator med tomt minne. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Sensurfrist: 13. januar 2005 OPPGÅVE 1 (20%) For å gjere denne oppgåva enklare, skal du rekne naturgass som rein metan (jf. tabellar i vedlegg). a) Frå feltet kjem naturgassen (her: rein metan) til prosessanlegget på land med trykk 80 bar og temperatur 275 K. Ved ilandføringa vert gassen strupt til 40 bar og så varma oppatt til 275 K v.hj. sjøvatn. (Struping gjev eit visst temperaturfall pga Joule- Thomson effekten, men her skal du sjå på endringa gjennom struping+gjenoppvarming, ikkje på mellomtilstanden.) Massestraumen er 200 kg/s. Finn irreversibiliteten totalt for struping og gjenoppvarming. b) Gassen (her: rein metan) vert frakta nedkjølt og flytande (LNG) med skip til eit mottaksanlegg der han vert ført over i ein lagertank på land. Frå lagertanken kjem det ein jamn straum av flytande gass ved 110 K. Denne vert pumpa (tilnærma isotermt) til 60 bar (6 MPa) og så varma opp til 275 K (med fordamping og overheting) før transport og distribusjon i leidningsnett på land. Varmekjelda er sjøvatn ved 298 K. Temperaturdifferansen kan utnyttast til å produsere kraft. Kraftverket yter 50% av det teoretisk maksimale (dvs. 50% av eksergiendringa i gassen). Kor stor er kraftproduksjonen (pr kg. gass)?

2 Side 2 av 10 c) I somme eldre mottaksanlegg vert LNG varma opp og gassifisert ved å fyre med noko av gassen. Energiutnyttinga er 85% (dvs. at varmen tilført naturgassen er 85% av nedre brennverdi i gassen som vert brend). Kor stor del av naturgassen (her: metan) må brukast dersom oppvarminga i spørsmål b skjer på denne måten? Korleis vil du vurdere eksergiutnyttinga (eksergiverknadsgraden) i eit slikt tilfelle? Opplysningar: Metan, nedre brennverdi: 50 MJ/kg, molmasse: 16 kg/kmol OPPGAVE 2 (30%) Et varmepumpeanlegg skal prosjekteres for et fjernvarmenett. Varme hentes fra kloakken som holder ca. 5 C. Fordampningstemperaturen er 0 C. Vannet i fjernvarmenettet skal varmes opp fra 60 C til 80 C. Kondenseringstemperaturen er 90 C. Varmeytelse er 500kW. Anlegget skal bruke ammoniakk (R-717) som kuldemedium. Anta isentropisk kompresjon. a) Tegn en 1-trinnsprosess inn i det vedlagte diagrammet. Hent ut verdier og beregn varmefaktor (COP). b) Tegn en 2-trinnsprosess inn i det samme diagrammet. Velg en åpen mellomtrykksbeholder. Hent ut verdier og beregn varmefaktor (COP). c) Hva er årsaken til forskjellig varmefaktor (COP) i oppg. a og b? d) Det sies at CO 2 er et gunstig kuldemedium ved oppvarming av vann. Vil det være fornuftig å bruke CO 2 i dette tilfellet? Forklar. Tips: Du trenger ikke utføre noen beregninger, men ta gjerne en titt på vedlagte TS-diagram for CO 2. (R-744).

3 Side 3 av 10 OPPGAVE 3 (20%) En nøkkelenhet i en prosess er under utvikling og kalles Likevekter ettersom enheten sikrer likevekt. Enheten fungerer som følger: To strømmer, den ene en dampstrøm med temperatur T 1 og trykk PP1 og den andre en væskestrøm med temperatur T 2 og trykk P 2 P, fødes til Likevekteren. Enheten isoleres deretter i en periode for å sikre at likevektstilstanden nås. a) Som ansvarlig ingeniør for å utvikle spesifikasjonene for denne nye enheten, skal du utlede betingelsene for likevekt (både termomekanisk og med hensyn til massetransport) for de to fasene når både væske og damp inneholder to komponenter A og B som vist i figuren under. Hint: Fasegrenseflaten er diaterm (tillater varmetransport), flyttbar og permeabel (tillater massetransport) for komponentene A og B. Benytt kriteriet ds = 0 ved likevekt for å etablere betingelsene for likevekt. b) For å evaluere likevektsbetingelsene er det sentralt å måle (eller spesifisere) et nødvendig antall termodynamiske parametre. Anta at de termodynamiske parametrene kan måles ved hjelp av instrumenter (med ett instrument for hver parameter). Hvor mange instrumenter er nødvendig for Likevekteren for å evaluere systemets termodynamiske egenskaper? c) En kollega planlegger å benytte Likevekteren for en prosess med bare en komponent C i både damp og væske fase. Han ønsker å sjekke med deg om han fortsatt skal benytte det samme antall instrumenter for å beregne de termodynamiske egenskapene for systemet. Hvilket svar vil du gi kollegaen? Begrunn dine svar. Hint: Identifiser antall frihetsgrader i systemet.

4 Side 4 av 10 d) Entalpi beregnes på følgende måte: IG Res H H H = + (1) hvor H IG er entalpien av en ideell gass og H Res er residualentalpien som beregnes ved hjelp av følgende likning: Res P H Z dp = T (at constant T) RT T P (2) 0 P Høyresiden av Likning 2 kan beregnes ved å benytte en tilstandslikningsmodell. Kollegaen (som du hjalp under spørsmål c) har nok et problem som han trenger hjelp med. Hans datamodell gir resultatet H Res = 0. Han har benyttet en ideell gass tilstandslikning for sitt system. Han tror ikke på resultatet fra datamaskinen og ber deg om en oppklaring av saken. Er resultatet som genereres av datamodellen korrekt? Bevis svaret. Ville resultatet blitt annerledes dersom Van der Waals tilstandslikning hadde vært antatt å gjelde for systemet? Dokumenter ditt svar. Van der Waals tilstandslikning er gitt som følger: RT a P = V b V eller V a Z = V b RTV 2 (3) PS. Beklageligvis tok ikke din kollega kurset TEP4230

5 Side 5 av 10 OPPGAVE 4 (30%) En blanding av metanol (A) og vann (B) skal separeres i en destillasjonskolonne. Fødingen F til kolonnen strømmer med 100 kmol/t og består av 40 % mol metanol og 60 mol % vann. Toppstrømmen D (destillatet) skal inneholde 90 % metanol, mens bunnproduktet B skal ha 90 % vann. Av 100 kmol føde F, består 20 kmol av damp og 80 kmol av væske. Destillasjonen skal foregå ved 1 atm trykk og kolonnen skal ha en partiell kondensator. Systemet likevektsdiagram for det aktuelle destillasjonstrykket er gitt på et separat ark (i to eksemplarer) som skal vedlegges besvarelsen. Den krumme linjen viser molfraksjon av flyktigste komponent (metanol) i gass-fase som funksjon av molfraksjon av samme komponent i væske-fase. I tillegg er diagonalen tegnet inn. a) Forklar kort og konsist hvorfor vi trenger en koker og en kondensator i destillasjonsprosessen. b) Lag en massebalanse over den flyktigste komponenten i forsterkerdelen (øverste del av kolonnen fra fødepunktet), utvikle forsterkerens driftslinje og forklar dine resultater. c) Finn mengden av bunnprodukt B og destillat D i kmol/t. d) Finn minimum tilbakeløpsforhold R min. e) Bestem antall plater i kolonnen når R =1.4 R min og platevirkningsgraden η = 80 %. Angi på hvilken plate fødingen F bør tilsettes for optimal drift av kolonnen med beregnet antall plater. f) Finn sammensetningen av dampen som forlater kokeren. V 1, y 1 D, y D 1 L 0, x 0 F, x F V N+1 N B, x B

6 Side 6 av 10 OPPGÅVE 1

7 Side 7 av 10 OPPGÅVE 1

8 Side 8 av 10 OPPGAVE 2 Stud. nr.: Ark nr.: Dette arket skal rives av og vedlegges besvarelsen

9 Side 9 av 10 OPPGAVE 2 Stud. nr.: Ark nr.: Dette arket skal rives av og vedlegges besvarelsen

10 Side 10 av 10 OPPGAVE 4 Stud. nr.: Ark nr.: Dette arket skal rives av og vedlegges besvarelsen 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Y(A) 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 x(a) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Y(A) 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 x(a)