Oppgave/ Oppgåve 1:Absorpsjon av aceton i et motstrøms etasjetårn (30%)

Transkript

1 NORSK TEKST Oppgave/ Oppgåve 1:Absorpsjon av aceton i et motstrøms etasjetårn (30%) En gass inneholder 1.0 mol % aceton i luft. Det er ønskelig å absorbere 90 % av acetonen i et motstrøms etasjetårn. Total strøm inn i tårnet er 60.0 kg mol/h. Den totale mengden rent vann som skal absorbere aceton er 180 kg mol H 0/h. Prosessen er isoterm og skjer ved temperatur 300 K og 1 atm (101.3 kpa). Likevektsrelasjonen for aceton (A) i i gass væske er y A =.53 x A. a. Gitt materialbalansen for aceton. L0x0+VN+1yN+1 = LNxN+V1y1 = MxM Forklar symbola. Tegn en figur av tårnet som viser inngangs og utgangsstrømmer og sammensetting. b. Vis at materialbalansen kan skrives L x0/(1 x0) + V yn+1/(1 yn+1) = L xn/(1 xn) + V y1/(1 y1) Hva er L og V? c. Benytt materialbalanse til å finne y A1 og x AN d. Regn med at driftslinja er rett i dette konsentrasjonsområdet. Dersom du ikke har funnet x AN og y A1 ovanfor, bruk x AN = og y A1 = Plott driftslinja og likevektslinja og finn tallet på teoretiske trinn. e. Ved hjelp av Kremser likninga finn tallet på teoretiske trinn. y mx 1 1 N 1 0 log 1 y mx A A 1 0 N log A A = L 0 /(mv N ) NB ln kan bli skrevet som log. f. Forklar forskjellen mellom adsorpsjon og absorpsjon. Hva er desorpsjon? Bonus spørsmål dersom tid : Ved hjelp av Kremser likninga finn tallet på teoretiske trinn ved å regne ut A på toppen og bunn av tårnet. 1

2 Oppgave / Oppgåve : Tørkeprosess definisjoner (0%) a) Når et materiale tørkes registrerer vi ofte både tørrkule temperatur og våtkuletemperatur. Forklar hva som er forskjellen på disse to temperaturer, og hvordan vi kan benytte våtkuletemperaturen som nyttig informasjon for avlesninger i vedlagte fuktighetsdiagram. b) Luft av temperatur 80 C og som inneholder 0.0 kg HO / kg tørr luft ved innløp, benyttes til å tørke fuktig organisk materiale som ligger i en brettørker. Hva er % vis fuktighetsinnhold av lufta inn? Hva er duggpunktstemperaturen til lufta? (Vis avlesning i diagram innleveres) c) Anta at det er konstant tørkehastighet helt til lufta har 90% fuktighet. Hva er nå temperaturen og fuktighetsinnholdet av lufta? d) Gitt den standard tørkelikningen R = ( L/A)(dX/dt) Forklar symbolene i likningen, og vis hvordan du vil beregne tørketiden i området med avtagende hastighet. Gitt: Fuktighetsdiagram for luft vann Oppgave / Oppgåve 3 Gasseparasjon med membraner (0%) I et avfallsdeponi produseres der biogass fra en anaerob råtneprosess som inneholder 40% CO og 60% CH4 (metan). Metanet kan gjenvinnes og benyttes som fullverdig drivstoff. For dette formål er en membran tilgjengelig som har en selektivitet for CO/CH4 = 50 og en permeabilitet for CO lik m 3 (STP). m 1 m. s 1. bar 1 Membrantykkelsen er 10 6 m. For å få tilstrekkelig drivende kraft for separasjonen komprimerer vi fødestrømmen inn på membranen til 6 bar (0.6 MPa). Volumet på fødestrømmen er 00 m 3 (STP)/time. Permeattrykket er 1 bar. a) Beregn minimum konsentrasjon av CO du kan få i retentatet. b) Benytt fullstendig blandingsmodell for beregningene, og anta at retentatet inneholder 0vol% CO. Beregn sammensetningen av permeatet og fraksjon av fødestrøm som har permeert c) Beregn nødvendig membranareal (m ) Gitt: Likninger i vedlegg

3 Oppgave / Oppgåve 4 Prosessregulering (30%) Figur 1. Anlegg forco fangst Figur 1 viser flytskjema for en absorbsjons stripper prosess for fjerning av CO fra forbrenningsgass. I den kalde absorbsjonskolonna (venstre) absorberes CO (som har fødekonsentrasjon c 1 ) i aminløsningen for så å frigjøres i den varme stripperkolonna (høyre). Kokeren i strippekolonna varmes opp med damp ( q 6 ) og kolonna kjøles med kjølevann ( q 7 ). Den sirkulerende aminløsningen q 3 kjøles til 40 C med kjølevann ( q 8 ) før den fødes til toppen av absorberen. Trykket i toppen av stripperen skal være 1 bar. Konsentrasjonen ( c ) av CO i gassen som går til atmosfæren skal være under 0.5%. For god drift av systemet skal konsentrasjonen (c 3 ) av CO i aminløsningen (bunnstrømmen fra stripperen) være på en gitt verdi. Tap av amin erstattes med strømmen q. a) Bestem de 7 uavhengige variablene som kan manipuleres(pådrag, MV ' er, u er), b) Bestem de viktigste forstyrrelsene ( DV ' er,d er) c) Bestem 7 uavhengige regulerte ( controlled ) variable ( CV ' er, y er) som vi kan regulere med de 7 MV ' ene. d) Foreslå en reguleringsstruktur med 7 tilbakekoblingssløyfer og tegn dem på flytskjemaet. (Tips: Du skal ha med LC, TC, XC (der X står for sammensetning) og PC.) 5 3

4 e) Forklar hva kaskaderegulering er og gi et eksempel på hvordan det kan anvendes på CO anlegget. f) Forklar hva foroverkobling er og gi et eksempel på hvordan det kan anvendes på CO anlegget. 4

5 ENGLISH TEXT Problem 1: Absorption of acetone in a countercurrent stage tower (30%) A gas is containing 1.0 mol % acetone in air. It is desired to absorb 90 % of the acetone in a countercurrent stage tower. The total inlet flow to the tower is 60.0 kg mol/h. The total amount of pure water to be used to absorb the acetone is 180 kg mol H 0/h. The process is isothermic and operates at a temperature of 300 K at 1 atm (101.3 kpa). The equilibrium relation for the acetone (A) in the gas id is y A =.53 x A liqu. a) Given the material balance for a cetone. L 0 x 0 +V N+1 y N+1 = L N x N +V 1 y 1 = Mx M Explain the symbols Draw a figure of the tower indicating the input and exit flows and compositions b) Show th at the material balance can be written L x 0 /(1 x 0 ) + V y N+1 /(1 y N+1 ) = L x N /(1 x N ) + V y 1 /(1 y 1 ) What is L and V? c) Using material balances find y A1 and x AN d) Assume the operating line is straight in this concentration range. If you have not found x AN and y A1 above, use x AN = and y A1 = Plot the operating line and equilibrium line and find number of theoretical stages e) Using the Kremser equation find the theoretical number of stages. y mx N log 1 y A A 1 0 N mx log A A = L 0 /(mv N ). Note ln can be written as log. f) Explain the difference between adsorption and absorption. What is desorption? g) Bonus question if time: Using the Kremser equation find the theoretical number of stages by calculating A at the top and bottom of the tower. 5

6 Problem : Drying process definitions (0%) a) When a materialis being dried, both the dry bulb temperature and wet bulb temperature is often registered. Explain the difference between these two temperatures, and also how the wet bulb temperature can give useful information for readings in the attached diagram. b) Air of temperature 80 C, containing 0.0 kg HO / kg dry air at inlet, is being used for drying of organic matter in a tray dryer. What is the % humidity of the air at inlet? What is the dewpoint temperature of the air? (Show how you read the values in the diagram to be turned in) c) Assume you are drying at constant rate until the air contains 90% humidity. What is now the temperature of the air and humidity content (kg HO/ kg dry air)? d) Given the standard drying equation R = ( L/A)(dX/dt) Explain what the symbols stand for, and show how you can calculate the drying time in the region with falling rate. Given: Humidity chart for air water in attachment Problem 3: Gas separation with membranes (0%) A landfill is producing biogass from anaerob digestion which contains 40vol% CO and 60 vol% CH4 (methan). The methan can be recovered and used as valuable fuel. F or this purpose a membrane module is available which has a selectivity for CO/CH4 = 50 and a permeability for CO = m 3 (STP). m 1 m. s 1. bar 1 The membrane thickness is 10 6 m. In order to have enough driving force for the separation the feed stream to the membrane is being compressed to 6 bar (0.6 MPa). The volume of the feed stream is 00 m 3 (STP)/hour. Permeate pressure is 1 bar. a) Calculate minimum concentration of CO you can achieve in the retentate b) Use the complete mixing model and assume that the retentate contains 0 vol% CO. Calculate the composition of the feed and fraction of feed stream which has permeated. c) Calculate the membrane area needed (m ). Given: Equations in attachment 6

7 Problem 4 Process Control (30%) See Figure 1 in the Norwegian text: CO Capture un it The flowsheet of an absorber stripper process for removing CO from flue gas is shown in Figure 1. In the cold absorber (left), CO (which has feed concentration c 1 ) is absorbed into the amine solution and it is released in the hot stripper column (right). The stripper column reboiler is heated with steam ( q 6 ) and and the column is cooled with cooling water ( q 7 ). The circulating amine q 3 is cooled to 40 C by cooling water ( q 8 ) before entering the top of absorber. The pressure at the top of the stripper should be 1 bar. The concentration ( c ) of CO that is released to the air should be less than0.5%. For good operation the concentration (c 3 ) of CO in the circulating amine (bottom stream from stripper column) should be at a given value. Loss of amine is compensated by the stream q 5. a) Identify the 7 independent variables that can be manipulated for control ( MVs, u s), b) Identify the most important disturbances ( DVs, d' s) c) Identify 7 controlled variables (CVs, y s) that we can control using the 7 MVs. d) (d) Suggest a control structure involving 7 feedback loops and draw them on the flow sheet. (Hint: They should involve LC, TC, XC (where X denotes composition) and PC.) Bon us questions if time allows: e) Explain what cascade control is and give an example of how it could be applied to the CO capture unit. f) Explain what feedforward control is and give an example of how it could be applied to the CO capture unit. 7