Eksamen Prosessteknikk 8.desember 2004 løsningsforslag

Transkript

1 Eksame Prosesstekikk 8.desember 4 løsigsforslag Oppgave dag = 4 timer (godtar også beregiger basert på 8 timer eller timer ute trekk). x to/dag = = kg/time Molvekt N = 7 = 86.7 kmol/time Atall mol N forbrukt = = 59.4 kmol/time 59.4 Forholdet N:Ar i luft = 78 :; dermed blir atall mol Ar gjevuet : =.4 kmol/time 78 a) Ideell gass pv = RT RT V= p isatt: V = =.5 m =5 liter 5 5 Atall sylidre = = Dvs 5 sylidere pr døg. b) reell gass, va der Waals. Strategi: Fie molart Vm ved å løse tilstadsligiga, deretter fie V og atall sylidere. Side vi bare har dum kalkulator er det eklest å løse dette ved prøvig og feilig (trial ad error), setter i estimater for Vm, bereger p, fier Vm som gir p = bar = x 7 Pa. Tar utgagspukt i ideell gass, Vm = RT/P = (8.4 x 98)/* 7 =.4* -4 m, og setter i i v.d.w, bereger p, justerer gjetige itil p = * 7. Iterasjo Vm (estimat) (m ) P (bereget) Pa Kommetar.4* -4.8* 7 Estmat = ideell gass, P ca % for lavt.* -4.* 7 Dette er egetlig bra ok, me side vi ligger ca..5% for høyt, justerer vi estimatet tilsvarede og reger gjeom e gag til.6* -4.* 7 M.a.o. Vm=.6* -4 m -4 Gassvolumet blir V= Vm=.4.6 =. m = liter Dvs. /5 = 46 sylidere pr. døg. Forskjelle mellom ideell og reell gas utgjør altså ca. 8%.

2 Oppgave. a) SI gir oss 98 =(-94)+4(-4)-(-4)-5 = -46 kj/mol b) r rg 98 =(-94)+4(-9)-(-4)-5 = -74 kj/mol Reaksjoe er: C 8 (g)+ 5O CO + 4 O () ν = -, ν =, ν = -5, ν = 4,ν = C8 CO O O N Dermed = + ν ξ= O = O, 5ξ N = N, CO= ξ =4ξ C8 C8, C8 C8, O O, N, C8 Reaktor (=forbreigskammer) ξ O,N,C8, CO,O c) Forbreige skjer slik, Figur bar,t=? C 8 væske bar, ºC VV bar T=? ºC Bre- ºC kammer bar luft bar, ºC GT W S =? me her ka vi forekle dette, vi ser bare på brekammeret (alle strømmer er pr. sekud.)

3 C8(g), ºC kg/s Brekammer ºC bar Luft ºC Massebalase er lett å rege ut (fullstedig forbreig, all propa forbrees). Atar ideell gass, eergiberegige blir uavhegig av trykket. Eergibalase blir = ( + ) = (er ka vi også bruke adre ruter, for eksempel delprosessmetode, bør gi samme resultat!) Data (fra SI) f (kj/mol) f G (kj/mol) c P (J/K,mol) vap (kj/mol) C O 9 - N 9 - CO O Basis: mol C8, x mol O = j i f (98)+cP( T-98 ) (Geerell ligig, referase = 98 K) i = (7-98)= kj (propa gass ved 7 K) 79 : Luft, x mol O + x mol N, c p =9 79 = x + x 9 ( 7-98 ) =.6 x kj : Fra molbalase, ξ = C8= C8, + ν C8 ξ= C8, ξ = = O = O, 5ξ = x 5ξ = x 5 79 N = N, = x=.76x CO = ξ = =4ξ = 4 O

4 = (57-98) (CO) (57-98) (O) + (x-5) +(x-5) 9 (57-98) ( O) 79 + x 9 (57-98) (N) Dermed = 76.7x -. (kj) Molbalase blir = ( + ) = 76.7x. =.6x x =.6 (mol) (= O ) Som gir: N =.6*79/ = 4.6 mol Luftmegde: luft = O + N = 55. mol (Alt over er pr mol propa) kg propa: /44 =.7 mol Luftmegde=.7 * 55. = 55. mol (MW, luft = 8.84, gir massestrøm luft 55.*8.84 = 6. kg/s. Mesteparte som strømmer gjeom systemet er altså luft!) Luftoverskuddet? (Basis; mol C8) Støkiometrisk megde luft = 5 mol O Det fødes altså.6/5 =. x ødvedig luftmegde, overskuddet er 6.6 mol/s, eller % overskudd.. c) Gass-sammesetige ut av reaktore: Kompoet Megde Molbrøk CO.54 O.6-5=6.6.5 N O 4.7 Total 57.. c gass ut = x c P i P,i i = = 9.76 Megde gass ut: Tabelle over er bereget med mol C8 som basis, kg C8 er.7 mol, altså er gassmegde ut 57.*.7 = mol/s. Turbi (atar adiabatisk, isetropisk):

5 γ- R γ Cp ' P P P P T=T =T ' T = ( +7 ) Ideelt arbeid: W= Cp T ' S ' S = 68. K (48 C) W = = 45 kj Reellt arbeid ' W=W η S S = 45.8=768 kj Vi har at W = Cp T, dette gir S W 768 Cp 9.76 S T =T- =(+7)- =859.4 K (586 C) Vi ser at det er e betydelig høyere temperatur ut sammeliget med e ideell turbi. Eergiproduksjoe blir 768 kj/s = 7.6 MW. d) Varmevekslig 586 ºC (gass, mol/s cp = 9.76 C 8 væske bar, ºC kg/s VV T=? ºC (gass) Det er ikke agitt hva slags varmeveksler, så vi atar motstrøm. Eergibalasee: Kald side: Propa skal fordampes og varmes fra til C ( delprosesser, fordampig ved C og oppvarmig av gass fra til ): Pr kg propa: Q C = vap + c P * T SI : vap = 9 kj/mol = 9 x /44 = 4.8 kj/kg (Vi atar dee er uavhegig av temperatur, de er oppgitt ved 5 C, og vil være temmelig lik ved C) c P = 74 J/mol,K = 74*/44 = 68 J/kg,K =.68 kj/kg,k Dermed (basis kg propa/s) Qc = (-9) =58. kj. Eergibalase gir at Q = Qc = 58. kj

6 Varm side: Q =ut-i = * c P * T Q 58.kJ Det gir T = = =5 K c 9.76 Motstrøms VV: P C = 57 C Kald Side Varm side C 586 C Dette gir T =586 - = 486 K T =57 - = 56 K T lm = = 5 K 486 l 55 Desig-ligiga for varmevekslere: Q = U*A* T lm Som gir Q 58. A= = =. m U T 5 5 lm

7 e) E viktig bireaksjo i slike systemer er daelse av NOx, her represetert ved NO (NOx er NO og NO, vi forekler litt og ser bare på NO). Vi ser altså på likevekte mellom N og O ved C (57K): N + O = NO PNO P Ved likevekt: rg= rg +RTl PNPO P Bereger rg (57),atar ideell gass og kostat Cp rc P= -9-9= J/K,mol r 98= 9--=8 kj/mol rg 98= 87--=74 kj/mol Fra defiisjoe av Gibbs eergi ( 8-74) rs 98= =. J/K,mol 98 Ved 57 K: r 57= r 98+ rcp T= r 98+ rcp ( 57-98) r 57=8+ =8.55 kj/mol 57 rs 57= rs 98+ rc l P rs 57=.+ l =.4 J/K,mol 98 Dermed: rg 57= r57-t rs57.4 rg 57= =45.7 kj/mol 57 rg RT K = e = e =.45 5 Molbalase: Vi defierer e y reaktor, hvor iløpet er gasse ut fra forbreigskammeret (med CO og O) ved C, og her ser vi å bare på N + O = NO N, O, CO, O Reaktor N, O, CO,O, NO Ifører reaksjosomfaget ξ

8 N = N, ξ O = O,-ξ NO =+ξ=ξ Vedlikevekt: NO pno tot p NO = N O N O N O ( ξ) K = = p p p tot tot Isatt fra molbalase: -5 K = (=.45 ) ( N,-ξ)( O,-ξ) Vi har bereget sammesetige av gasse ut fra brekammeret, med basis mol C8 i har vi (subskript betyr her iløpet til vår tekte raktor hvor bireaksjoe skjer): N, = 4.6 O, = 6.6 Dette blir gaske grisete ligiger, så vi forekler: Vi ser at K er lite, vi atar derfor at ξ er lite, i hvert fall << 6.6: Setter derfor N = N, = 4.6 O = O, = 6.6 Dermed: 4ξ 4ξ 4ξ -5 K = = = =.45 ( N,-ξ)( O,-ξ) ( N,)( O, ) ( 4.6)( 6.6) som gir -5 ξ=.45 ( 4.6)( 6.6) 4 ξ=. Vi ser umiddlerbart at atagelse vi gjorde om at ξ ka eglisjeres i evere er riktig! Vi ka dermed berege NO = ξ=.65 mol Kosetrasjoe av NO blir NO C NO = =5.=.= ppm (volum) (ppm = parts per millio) tot For foruresiger i lave kosetrasjoer er dette de valige måte å agi kosetrasjoe på. Verdie er høyere e de faktiske verdier, oe som viser at reaksjoe ikke går helt til likevekt. g) Greseverdie for NOx i avgass fra kraftverk og ligede er typisk 5 ppm, her må det altså gjøres oe for å redusere NOx. Forslag. - Øke luftoverskuddet slik at temperature i gasse ut blir lavere. (Effekte av temperature er mye større e effekte av litt mer N og O.) Det gir imidlertid midre effektutbytte i turbie - Rese avgasse, for eksempel ved selektiv (katalytisk) reduksjo av NOx (med N som reduksjosmiddel). er har vi bare reget på NO, NOx er både NO og NO, så bildet er i virkelighete mye mer komplisert!