KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG TKP SEPARASJONSTEKNIKK

Transkript

1 Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for kjemisk prosessteknologi KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG TKP SEPARASJONSTEKNIKK Faglig kontakt under eksamen: May-Britt Hägg Tlf: Eksamensdato: Eksamenstid: 09:00 13:00 7,5 studiepoeng Tillatte hjelpemidler: Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt enkel kalkulator tillatt (kode D) Språkform: Antall sider bokmål/nynorsk/engelsk: 6 + forside Antall sider vedlegg: 4 (2 vedlegg) Sensurdato: Merk! Studentene må primært gjøre seg kjent med sensur ved å oppsøke sensuroppslagene. Evnt. telefoner om sensur må rettes til instituttet eller sensurtelefonene. Eksamenskontoret vil ikke kunne svare på slike telefoner.

2 Oppgave / Oppgåve 1: Ett-trinns flash (20%) (a) Den relative flyktigheten mellom komponentene 1-2 er definert som α = (y 1 /x 1 ) / (y 2 /x 2 ). (a1) Bruke dataene under til å bestemme α for propan-butan (bruk α = 6 hvis du ikke får det til). (a2) Utled sammenhengen mellom y 1 og x 1 (molfraksjon lett komponent) for en binær blanding med konstant relative flyktighet. (b) ) Tegn xy-diagrammet og skissèr Txy-diagrammet for propan-butan ved 1 atm. (c) Flash. Følgende to strømmer blandes: Strøm F a : 80 mol/s. Mettet damp ved 1 atm. 50% propan. 50% n-butan Strøm F b : 70 mol/s. Mettet væske ved 1 atm. 50% propan. 50% n-butan Den blandede strømmen separates in adiabatisk flashtank ved 1 atm og gir er væskeprodukt L and gassprodukt V (i likevekt). Bestem mengde og sammensetning av strømmene L og V. Anta konstant relativ flyktighet α. Energibalanse: Anta konstante molare strømmer. (d) Gi en rangering av temperaturene til strømmene F a, F b, L og V (grunngi svaret ditt). Damp/væske-likeveltsdata: Kokepunkt (1 atm) Damptrykk ved 240K Propan (1) K 1109 mmhg Butan (2) K mmhg Oppgave / Oppgåve 2. Destillasjon (10%) En væskeføde med to komponenter (50% A og 50%B) med relativ flyktighet 6 skal separeres ved kontinuerlig destillasjon i et topp-produkt og bunnprodukt. Hva er minimum antall teoretiske trinn som trenges for å få produkter 0.1% A (bunn) og 1% B (topp). Hvor mange teoretiske trinn (omtrentlig) vil du anbefale i en virkelig kolonne? Oppgave / Oppgåve 3. Formel (10%) Gitt formelen z ya2 V dy KaS y y * y ya1 AG A (a) Definer alle variablene og gi enheter for dem. Lag et flytskjema som illustrerer betydningen av variablene (b) Hva brukes formelen for og hvilke antagelser er den basert på? Hvordan kan den løses? (c) Hva er N A uttrykt ved variablene i formelen? Hva er HTU, NTU, H OG og N OG? Oppgave / Oppgåve 4. Regulering (10%) Tegn et flytskjema av en kontinuerlig destillasjonskolonne. Varmetilførselen (oppkok V) er på sin maksimalverdi (for å få til best mulig separasjon). Foreslå en reguleringsstruktur basert på tilbakekobling (med to LC er, en PC og en TC). Fødestrømmen er gitt ( forstyrrelse ).

3 Oppgave / Oppgåve 5 Membranseparasjon gasser (30%) En alternativ miljøvennlig metode under utvikling for å fjerne CO 2 fra en gasstrøm på, er å benytte skreddersydde membraner der CO 2 permeerer hurtigst gjennom membranen og andre gasser holdes tilbake i gasstrømmen. Utfordringene er forskjellig alt etter type gasstrøm som skal behandles. For å illustrere dette, ser vi på tre forskjellige tilfeller hvor CO 2 skal fjernes. For enkelhets skyld, betrakter vi gassblandingene som kun bestående av to komponenter; dette er illustrert i parentes under. Prosessbetingelsene er gitt i hvert enkelt tilfelle. 1. CO 2 fra forbrenningsgass (5 mol% CO 2 i blanding med 95 mol% N 2 ) Fødetrykk: 4 bar, permeattrykk: 0,1 bar, massestrøm: 50 kg/s 2. CO 2 for oppgradering av biogass (40 mol% CO 2 i blanding med 60 mol% CH 4 ) Fødetrykk: 7bar, permeattrykk: 1 bar, volumstrøm: 75 m 3 (STP)/time 3. CO 2 fra naturgass (10 mol% CO 2 i blanding med 90 mol% CH 4 ) Fødetrykk: 70 bar, permeattrykk: 1 bar, volumstrøm: 10 4 m 3 (STP)/ time Det er ønskelig å benytte en bestemt type polymer membran som er svært permeabel for CO 2 i alle tre tilfellene. Membranen er 2 m tykk, og har følgende permeabiliteter, P : P CO2 = m 3 (STP). m/m 2. bar. h P N2 = m 3 (STP). m/m 2. bar. h P CH4 = 1, m 3 (STP). m/m 2. bar. h a) Beregn minimum konsentrasjon av CO 2 i retentatstrømmen for de tre tilfellene over b) Utfør beregninger som indikert under for tilfellet 3) ved å benytte ideell blandemodell når kravene er som følger: Fraksjonen av CO 2 i den rensede naturgassen før den selges til Europa er 2,5 vol% For å minske tapet av CH 4 settes permeatkuttet ( ) lik 0,1. Beregn nødvendig membranareal. c) Redegjør for hva slags konfigurasjon du vil velge på membranmodulen (flate, spiralrullet, hulfiber) og om det bør være medstrøm, motstrøm eller kryss-strøm. Gitt: Likninger og informasjon i vedlegg 1

4 Oppgave / Oppgåve 6 Tørking (20 %) a) Ved tørking av et materiale har vi behov for å kjenne tørkeluftas temperatur og fuktighetsinnhold. Definer følgende parametre som er viktige i denne sammenheng: -våtkuletemperatur, tørrkuletemperatur -adiabatisk metningstemperatur -prosentvis fuktighet, prosentvis relativ fuktighet b) Benytt vedlagte diagram og tabeller (Vedlegg 2) og bestem damptrykk, fuktighetsinnhold (absolutt og %-vis), og adiabatisk metningstemperatur for en luftstrøm med temperatur 75 C, duggpunktstemperatur 30 C og 10% relativ fuktighet. Den fuktige luftas totaltrykk er 1 bar. Gitt: Vedlegg 2 med diagram og tabeller. Diagrammet skal benyttes for å tegne inn løsning og leveres med besvarelsen.

5 English version Problem 1: Single-stage flash (20%) (a) The relative volatility between components 1-2 is defined as α = (y 1 /x 1 ) / (y 2 /x 2 ). (a1) Use the data below to find α for propane-butane (use α = 6 if you cannot find it). (a2) Derive the relationship between y 1 and x 1 (mole fractions light component) for a binary mixture with constant relative volatility. (b) Plot the xy-diagram and sketch the Txy-diagram for the system propane-butane at 1 atm. (c) Flash. The following two streams are mixed Stream F a : 80 mol/s. Saturated vapour at 1 atm. 50% propane. 50% n-butane Stream F b : 70 mol/s. Saturated liquid at 1 atm. 50% propane. 50% n-butane The mixed stream is separated in an adiabatic flash unit operating at 1 atm into a liquid product L and vapour product V (in equilibrium). Find the amount and compositions of the streams L and V. Assume constant relative volatility α. Energy balance: Assume constant molar flows. (d) Rank the temperatures of the streams F a, F b, L and V (justify your answer). Vapor-liquid equilibrium data: Boiling point (1 atm) Vapor pressure at 240K Propane (1) K 1109 mmhg Butane (2) K mmhg Problem 2: Distillation (10%) Consider the separation of a liquid feed with two components (50% A and 50%B) with a relative volatility of 6 into a distillate and bottoms product. What is the minimum number of distillation stages required to get products with 0.1% A (bottoms) and 1% B (top). What would you recommend as the actual number of stages (approximately)? Problem 3. Formula (10%) Consider the formula ya2 V dy z KaS y y * y ya1 AG A (a) Define all the variables, including giving their units. Make a flowsheet with the variables. (b) What is this formula used for and what assumptions are required? How can it be solved? (c) What is N A in terms of the variables in the formula? What is HTU, NTU, H OG and N OG? Problem 4. Control (10%) Make a flowsheet of continuous distillation column. The heat input (boilup V) is set at its maximum (to maximize separation). Suggest a feedback control structure (involving two LC s, one PC and one TC). The feed stream to the column is given ( disturbance ).

6 Problem 5. Membrane separation Gases (30%) An alternative environmentally friendly way of removing CO 2 from gas streams is under development this method is using tailormade membranes where CO 2 is permeating very fast through the material and other gases are being retained on the feed side. The challenges are different depending on type of gas mixture. In order to illustrate this, three different gas streams containing CO 2 are given below. For sake of simplicity, only two components are considered. Process conditions are given for each case. 1) CO 2 from flue gas (5 mole% CO 2 in mixture with 95 mole% N 2 ) Feed pressure: 4 bar, permeate pressure 0,1 bar. Mass flow 50 kg/s 2) CO 2 from biogas (40 mole% CO 2 in mixture with 60 mole% CH 4 ) Feed pressure: 7 bar, permeate pressure: 1 bar. Volume stream: 75 m 3 (STP)/hour 3) CO 2 from natural gas (10 mole% CO 2 in mixture with 90 mole% CH 4 ) Feed pressure: 70 bar, permeate pressure: 1 bar. Volume stream: 10 4 m 3 (STP)/hour membrane with high permeation for CO 2 is chosen for all three cases. The membrane is 2 µm thick, and has the following permeabilities, P : P CO2 = m 3 (STP). m/m 2. bar. h P N2 = m 3 (STP). m/m 2. bar. h P CH4 = 1, m 3 (STP). m/m 2. bar. h a. Calculate the minimum concentration of CO 2 which can be obtained in the retentate stream for all three cases b. Calculate the necessarry membrane area for case 3) by using the given equations and the following information: The fraction of CO 2 in the purified natural gas must be no higher than 2,5 vol% when it is sold to Europe. In order to minimize the loss of CH 4 in the permeate stream, the permeate cut ( ) is set to 0,1. c. Explain which kind of configuration you will choose for the membrane module and why (flat sheets, spiral-wound, hollow fibres), and whether it should be cocurrent, counter current or cross flow. Given: Equations and information in Attahcment 1

7 Problem 6. Drying (20%) a. When a material is being dried, we need to know the temperature of the air used for drying and the humidity content. Define the following parameters which are very important in this context: -wet bulb temperature, dry bulb temperature -adiabatic saturation temperature -percentage humidity, percentage relative humidity b. Use the attached diagram and table (Attachment 2) to find vapour pressure, humidity content (absolute and percentage) and adiabatic saturation temperature for an air stream of temperature 75 0 C, dew point temperature of 30 0 C and 10% relative humidity. The pressure of the air is 1 bar. Given: Humidity chart and table in Attachment 2. Plot how you find your answer in the diagram and turn it in with the other exam papers.

8 ATTACHMENT 1 Please note that the units given here for P and q can be neglected. Use the units given in the problem

9

10 ATTACHMENT 2

11 If needed; molecular weight of H 2 O is 18 g/mole and of air is 29 g/mole