EKSAMEN TKP 4105 SEPARASJONSTEKNOLOGI DESEMBER 2005

Transkript

1 EKSAMEN TKP 415 SEPARASJONSTEKNOLOGI DESEMBER 25 Oppgave / Oppgåve 1 ADSORPSJON (vekt 4%) Ved å benytte molekylsikter skal vann fjernes fra en nitrogen gasstrøm med temperatur 3 C. Kolonnehøyden er gitt til totalt,27m, og tettheten for tørkematerialet er 712,8 kg/m 3. Tørkematerialet inneholder i utgangspunktet,1 kg vann / kg fast stoff, og massefluksen for nitrogengassen er 452 kg/m 2. time (antas konstant). Vannkonsentrasjonen i gassen er ved start c = 926x1-6 kg vann / kg nitrogen. Konsentrasjonen av vann i gassen ut (c) som funksjon av tid er oppgitt i tabellen under ( Break through data ): t (timer) 9 9,2 9,6 1 1,4 c (kg H 2 O / kg N 2 ) x1 6 <,6,6 2, t (timer) 1,8 11,25 11,5 12, 12,5 12,8 c (kg H 2 O/kg N 2 ) x Verdien av c/c =,2 ved break point Oppgave: a) Skisser kurven c/c som funksjon av tiden, t. Indiker med pil hvor vi har break-point og hva som tilsvarer masseoverføringssonen. b) Bestem tiden det tar før vi er ved kolonnas break point c) Bestem fraksjon av kolonnas totale kapasitet som er brukt opp til break point d) Bestem lengden av den ubrukte kolonna ( length of unused bed ) e) Bestem tørkekapasiteten av molekylsikten ( saturation loading capacity of solid ) f) Kolonna skal oppskaleres til H T = 4 cm. Bestem tiden til break-point i den nye kolonna, og fraksjonen vi da får av total kapasitet g) Er det en korrekt antagelse at massefluksen antas konstant? Diskuter. Gitt: c tt = 1 dt c hvor t t = er tiden det tar for å utnytte kolonnas totale kapasitet og c er som gitt i tabellen over tu HB = HT tt hvor H B er høyden av kolonna som er utnyttet opp til break point ; H T er total kolonnehøyde t u er tiden for utnyttbar kapasitet Bonus spørsmål: Forklar (og illustrer) hvordan vi ved hjelp av likevektsdata for adsorpsjon kan finne om adsorpsjonsisotermen følger Henry s lov (q = K. c), Freundlich s lov (q = K. c n ) eller Langmuir s lov (q = (q c)/(k+c))

2 Oppgave / Oppgåve 2 EKSTRAKSJON (vekt 3%) En vandig løsning som inneholder 37.7 wt% eddiksyre skal behandles i et motstrøms ekstraksjonsanlegg med 1 wt% isopropyleter. Den utgående konsentrasjonen av eddiksyre i den vannrike fasen er 5 wt%. Føderaten av den vandige løsningen er 1 kg/h. Føderaten av isopropyleter skal bestemmes i regneoppgavene nedenfor. I besvarelsen skal du bruke bokstavene A, B og C for henholdsvis eddiksyre, vann og isopropyleter. Faselikevektene fremgår av figuren nederst på siden. En kopi av diagrammet for bruk i besvarelsene er lagt ved oppgavesettet. a) Finn den minste føderaten av isopropyleter som er mulig i henhold til fasediagrammet. b) Bestem konsentrasjonene av alle komponentene i det første likevektstrinnet (der hvor eddiksyren kommer inn), når forholdene er som beskrevet i deloppgave a). c) Bestem antall likevektstrinn i ekstraksjonsanlegget når føderaten av isopropyleter er 3 kg/h. Bruk gjerne to farger når du konstruerer diagrammet (lettere å lese). d) Et alternativ til motstrømsanlegget er å bruke ren isopropyleter i hvert trinn. Trengs det flere eller færre trinn i dette tilfellet? Begrunn svaret med utgangspunkt i fasediagrammet x C, y C

3 Oppgave / Oppgåve 3 REGULERINGSTEKNIKK (vekt 3 %) Figuren viser et varmekraftverk der varmen i en gass-strøm utnyttes til å produsere arbeid i en turbin (W 4 ). Det brukes en lukket syklus med vann/damp bestående av følgende trinn: 1) Forvarming av fødevann fra ca. 45 C til ca. 25 C. 2) Fordampning ved 1 bar/38 C. 3) Overheting av damp til ca. 5 C (1 bar). 4) Ekspansjon fra 1 bar til.1 bar der arbeid tas ut. 5) Kondensering av gassen ved ca..1 bar / 45 C. W 4 5. kjølevann 4: turbin x 4 T 6 p 7 7: dampkjele 6: kondesattank LC T 3 W 8 8: pumpe T gass,inn 3: overheting damp med bypass) 2: fordampning med naturlig sirkulasjon) 1: oppvarming vann med bypass) T gass,ut I oppsamlingstanken for kondensat (6) og i dampkjelen (7) er det damp-væske likevekt. Nivået i kondensat-tanken holdes konstant ved å justere pumpearbeidet (8) som vist i figuren. Fuktighetsinnholdet (vanninnholdet) i strømmen ut av turbinen skal ikke overstige 1% for å unngå skader på turbinen. Fuktighetsmåleren (x 4 ) er noe langsom og lite pålitelig. Merk at når vi kjøler mer så vil fuktighetsinnholdet x 4 øke og temperaturen T 6 synke. Følgende variable ønskes holdt konstant: p 7 = 1 bar, T 3 = 5 C, T gass,ut = 1 C, x 4 =.1 Målepunkter er angitt med prikker. a) Mesteparten av massen befinner seg som væske i dampkjelen. Forklar hvorfor det ikke er nødvendig å regulere denne, dvs. hvorfor det ikke trenges nivåregulering i dampkjelen. b) Klassifiser variablene c) Sett opp et forslag til reguleringssystem

4 VEDLEGG til oppgave 2 INNLEVERES MED OPPGAVEBESVARELSEN x C, y C

5 x C, y C