Side 1 av 6 NORGES TEKNISK-NATUR- VITENSKAPELIGE UNIVERSITETET INSTITUTT FOR KJEMISK PROSESSTEKNOLOGI

Transkript

1 NORGES TEKNISK-NATUR- VITENSKAPELIGE UNIVERSITETET INSTITUTT FOR KJEMISK PROSESSTEKNOLOGI Side 1 av 6 Faglig kontakt unde eksamen/fagleg kontakt unde eksamen: Pofesso Edd A. Blekkan, tlf (Oppgave 1 og 5) Pofesso Sigud Skogestad, tlf (Oppgave 2, 3 og 4) EKSAMEN I FAG SIK Posessteknikk Fedag 2. juni 2000 Tid: Hjelpemidle B2: Typegodkjent kalkulato, med tomt minne, i henhold til liste utabeidet av NTH tillatt. Tillatt fomelsamling: Aylwad & Findlay: SI Chemical Data. Hjelpemedel B2: Typegodkjend kalkulato, med tomt minne, i henhold til utabeid liste av NTH tillate. Tillete fomelsamling: Aylwad & Findlay: SI Chemical Data. Sensu foeligge i uke 25. Oppgave 1/Oppgåve 1. Dibutylftalat bukes ofte som manometevæske (i stedet fo kvikksøv). Dibutylftalat ha tetthet 1047 kg m -3. a) Hvo stot tykk gi en væskesøyle på 1000 mm av dette stoffet? Gitt: Tyngdens akselleasjon e g = 9.81 m s -2. Et glassø med J-fom som vist i figu 1 e lukket i den høyeste enden og åpen i den ande. Lufttykket e 1 atm og tempeatuen e 22 C. Du helle dibutylftalat inn i den åpne enden av øet inntil det e fylt til anden. b) Finn et uttykk fo tykket i bunnen av væskesøylen i den åpne enden av øet (ved bunnen av 40 cm væskesøyle) c) Hvo langt fa toppen av det lukkede øet stå væskenivået? 100 cm 40 cm Figu 1. Glassø som e lukket i øveste (høye) ende og åpent i nedeste (venste).

2 Oppgave 2/Oppgåve 2. Side 2 av 6 Bakgunn: I et gasskaftvek fås mestepaten av elektisiteten ved at gassen fobennes i en gasstubin (som ligne en flymoto). Men fo å få bede enegiutnyttelse bygges idag såkalte kombinete kaftvek hvo det også taes ut enegi av den vame fobenningsgassen ved at det innstallees vamevekslee i eksoskanalen slik at det lages ovehetet høytykks vanndamp. Betakt et gasskaft de det lages høytykksdamp ved 100 ba og 529 C. Denne høytykksdampen ekpandees adiabatisk til 28.5 ba mellomtykks-damp i en høytykkstubin med 77% vikningsgad, og ekspandees videe til ba damp i en adiabatisk lavtykkstubin med 82% vikningsgad. I begge de to tubinene taes det ut abeide som kan bukes til å geneee elektisk kaft. Data: Anta at vanndampen e ideell gass med vamekapasitet 2 kj/kg. Ved 45 C e metningstykket (damptykket) av vann lik ba. Anta at fodampningsvamen fo vann e 2400 kj/kg ved 45 C. a) Lag en skisse (flytskjema) av posessen med de to tubinene. Velg 1 kg damp som basis i de videe beegninge. b) Hvo mye abeid taes det ut i høytykkstubinen? c) Hvilken tempeatu ha mellomtykksdampen? d) Hvo mye abeid taes det ut i lavtykkstubinen? e) Hvis du ha egnet iktig vil du nå finne ut at lavtykksdampen ha en tempeatu som ligge unde metningstempeatuen på 45 C ved ba, men i paksis vil væske (vann) utkondensees. Hvo mye vann vil dannes (fuktighetsinnholdet bø ikke ovestige 10% fodi lavtykks-tubinen elles kan bli ødelagt)? f) Det vudees å buke mellomtykksdampen til boligoppvaming. Vil du anbefale dette? Oppgave 3/Oppgåve 3 I en metanolfabikk e det en destillasjonskolonne de metanol taes av som topppodukt og vann som bunn-podukt. Kolonnen ha to føde. Det e litt butanol i den ene føden, og butanolen tas ut i et "fuselavdag" midt på kolonnen. (Destillasjon e baset på foskjelle i flyktighet, og man skulle fovente at butanol, som koke ved en høyee tempeatu enn vann, komme ut i bunn av kolonnen. Gunnen til at dette ikke skje e at vann og butanol "ikke like hveande" i væskefasen og deved pesses butanolen oppove i kolonnen.) Flee opplysinge e gitt i figu 2 (alle tall e i mol-%). Vi ønske å bestemme mengden av føde 2 (n 2 ). a) Hvo mange uavhengige massebalanse kan settes opp fo kolonnen?

3 Metanol-podukt n 3 =700 mol/s 99.5% metanol 0.5% vann Side 3 av 6 Føde 1 n 1 =800 mol/s 70% metanol 29.93% vann 0.07% butanol Fusel-avdag (n 4 ) Føde 2 4.5% butanol n 2 x% metanol 20% metanol y% vann 80% vann Figu 2. Vann-podukt (n 5 ) 99.8% vann 0.2% metanol b) Hvo mange ytteligee opplysninge tenge du fo å løse poblemet? c) E systemet løsbat hvis det e gitt at fuselen inneholde 2% metanol? (Hvis ja, finn svaet). d) E systemet løsbat hvis det e gitt at fuselmengden e n 4 = 20 mol/s? (Hvis ja, finn svaet). Oppgave 4/oppgåve 4. Etylbenzen eagee til styen ved en katalytisk gassfaseeaksjon C 8 H 10 (g) 6 C 8 H 8 (g) + H 2 H O (600 C) = kj/mol I figu 3 e det vist en noe foenklet vesjon av posessens flytskjema. Posessen foegå ved 1 atm. Føde og esikulet etylbenzen i væskefase ved 25 C blandes og oppvames fa 25 C til 500 C i en fodampe (A). Etylbenzen, som nå e i gassfase, blandes med vanndamp ved 700 C, og gi eaktoføden ved 600 C (B) (vanndampen må innblandes fo å unngå uønskede bieaksjone og fjene kabon fa katalysatoen). I eaktoen (C) e omsetningsgaden 35% (fo hvet gjennomløp). Poduktet kjøles til 25 C (D), slik at etylbenzen, styen og vann kondensees, mens H 2 tas ut som gasspodukt. Vann og hydokabone e uløselige og sepaees i en væskesepaato (E). Vannet fodampes (F) og esikulees til eaktoen. Hydokabonstømmen sepaees i nesten en etylbenzen (som esikulees til fodampeen) og en styen (podukt) i et destillasjonsanlegg (G). Mengde styenpodukt skal væe 1 kg/s. (a) Beegn mengde føde og esikulet etylbenzen (alt i mol/s).

4 Side 4 av 6 Se hoved00_figu.jpg Figu 3. Foenklet flytskjema fo styen-posessen b) Beegn mengde vann som sikulee i eaktosystemet (i mol/s). c) Bestem mengde tilføt elle fjenet vame (enegi) i fodampeen (A), fodampeen (F) og eaktoen (C) (i J/s). d) Diskute muligheten fo å edusee enegifobuket. e) I figuen mangle det en fødestøm som skal estatte tap av vann i poduktene. Hvo sto må denne minst væe desom damptykket av vann ved 25 C e 0.03 atm slik at hydogenpoduktet inneholde 3 mol% vann. Data: Etylbenzen (EB):C P (l) = 182 J/mol K vap H = 36.0 kj/mol (ved T b = 136 C) C P (g) [J/mol K] = * T [ C] Styen (S): C P (l) = 209 J/mol K vap H = 37.1 kj/mol (ved T b = 145 C) C P (g) [J/mol K] = * T [ C] Vann (H 2 O): C P (l) = 75.3 J/mol K vap H = 40.7 kj/mol (ved T b = 100 C) C P (g) [J/mol K] = * T [ C] Hydogen: C P (g) = 29.1 J/mol K

5 Oppgave 5/oppgåve 5. Side 5 av 6 En fotynnet løsning av fobindelse A fødes (v 0 =100 L/h, C A0 = 1 mol/l) inn på et eaktosystem hvo A eagee til B: 2A B Reaktosystemet bestå av en stempelstømseakto (PFR) med volum V PFR, og poduktet fa denne eaktoen fødes diekte til en pefekt blandetinnseakto (CSTR) med volum V CSTR. Sammenhengen mellom omsetningsgaden av A og eaksjonshastigheten fo omsetning av A, - A, e vist i et Levenspiel-plott (1/- A mot omsetningsgad) nedenfo. a) Sett opp molbalanseligningene fo A ove systemet. b) Omsetningsgaden av A ut fa PFR-eaktoen e X 1 = 0.3 og ut fa CSTR-eaktoen e X 2 = 0.7. Bestem eaktovolumene V PFR og V CSTR. c) Hva vil omsetningsgaden av A væe desom eaktoene plassees i motsatt ekkefølge? Kommente løsningen du finne.

6 Data og fomle til buk unde eksamen: Side 6 av 6 Gasskonstanten R = J/mol,K Van de Waals tilstandsligning: p nrt = a n V nb V Fo en adiabatisk (isentopisk) posess gjelde fo en ideell gass med konstant?=c P /c V : som e ekvivalent med: γ pv = konst. T T 2 p = 2 p γ γ Fo kontinuelige posesse e akselabeidet ved evesible tykkendinge geneelt gitt ved p2 WS = VdP. Fo isotem evesibel kompesjon/eksansjon av en ideell gass e da p 1 2 W RT p p S = ln 2 1 Logaitmisk midlee tempeatudiffeens e: [J/mol] lm = ln Følgende uttykk kan bukes fo å bestemme G 298 K nå vamekapasiteten antas konstant: ( T ) og K(T) fa data ved S H G (T) = K(T) = e (T) = S (T) = H H O G (T) RT (298) + (298) + c c P P (T) T S (T 298) ln (T) T 298 Canot-faktoen e 1 - T C /T H E Aheniusligningen e k = A e RT Massebalanseligninge fo ideelle kjemiske eaktoe: Diffeensiell fom Algebaisk fom Integal fom Sats (batch) Pefekt blandetankeakto (CSTR) Ideell stempelstømseakto (PFR X N A0 = AV t = N dt A0 V F = V F F A0 = A A V = F A0 A dv A0 0 A 0 X A