TEMA: Konseptuelt Flytskjema for Benzen-produksjon fra Toluen. Løsningsforslag:

Like dokumenter
TEMA: Destillasjon. Løsningsforslag: Komponentbalanse (molar basis) for acetaldehyd: F X F = B X B + D Y D

TEMA: Damp/Væske-likevekter og Flash-Separasjon. Løsningsforslag:

Lørdag 20. mai C 180 C C 130 C C 60 C kw 50 C 30 C C 20 C

LØSNINGSFORSLAG. EKSAMEN I SIO 4060 PROSESSINTEGRASJON Lørdag 10. mai 2003 Q H 190 C 180 C R C 170 C 900 kw R C 140 C 100 C 90 C

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR MASKINTEKNIKK EKSAMEN I EMNE SIO 7030 ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

EKSAMEN I EMNE TEP 4215 PROSESSINTEGRASJON Onsdag 1. juni C kw 50 C Q C. R 2 = = 0 kw

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Mandag 17. desember 2012 Tid: kl. 09:00-13:00

Lørdag 2. juni 2007 Q H 180 C 160 C C 130 C -300 R C 120 C Q C 80 C 60 C

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Kort prosessbeskrivelse av metanolfabrikken

gass Side 1 av 5 NORGES TEKNISK NATUR- VITENSKAPELIGE UNIVERSITETET INSTITUTT FOR KJEMISK PROSESSTEKNOLOGI

Eksamensoppgave i TKP4105 Separasjonsteknologi

LØSNINGSFORSLAG. EKSAMEN I TEP 4215 PROSESSINTEGRASJON Torsdag 27. mai a) Tegner varmekaskade for de fem prosess-strømmene: Q H 182 C 162 C

Prosessteknikk eksamen 22/5-99. Løsningsforslag

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

TKP 4105 Separasjonsteknikk (kontinuasjonseksamen) 16. august 2005

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 8. august 2009 Tid:

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

gass Faglig kontakt under eksamen/fagleg kontakt under eksamen: Professor Edd A.Blekkan, tlf.:

Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET (NTNU) - TRONDHEIM INSTITUTT FOR ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Prosjekt i prosessteknikk Metanolproduksjon pa Tjeldbergodden

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

Side 1 av 4/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK mai 2018 Tid:

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 18. august 2012 Tid:

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK mai 2015 Tid:

Side 3 av 3/nyn. Bruk van der Waals likning p = Vedlegg: 1: Opplysningar 2: Mollier h-x-diagram for fuktig luft

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

Jordas energikilder. Tidevann. Solenergi Fossile. Vind Gass Vann Olje Bølger År

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK august 2017 Tid:

[0001] Denne oppfinnelsen omhandler en metode til fremstilling av et magnesiumformiat-basert porøst metalorganisk rammemateriale.

"Reguleringsstrategi for Tenessee-Eastman prosessen"

a. Skriv opp massebalanselikningen for massen av X i denne boksen. Forklar hvilke prosesser som beskrives av de ulike leddene i likningen.

Manual til laboratorieøvelse Varmepumpe

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2011 Løsninger

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

T 2. + RT 0 ln p 2 K + 0, K ln. kg K. 2) Først må vi nne massestraumen av luft frå energibalansen: 0 = ṁ 1 (h 1 h 2 ) + ṁ 3 (h 3 h 4 ) kg s

Løsningsforslag til øving 10

Syrer og baser. Et proton er et hydrogenatom som har mistet sitt eneste elektron. Det beskrives som H +, en positiv ladning.

RENSEANLEGGET. Renseanlegg Øra Anlegget ble satt i drift: 1989 Renseprosess: Mekanisk / kjemisk

Detaljert modellering av 'gas blowby'

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4115 TERMODYNAMIKK 1 Lørdag 21. mai 2011 Tid: kl. 09:00-13:00

NOREGS TEKNISK-NATURVITSKAPLEGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg

Den spesifike (molare) smeltevarmen for is er den energi som trengs for å omdanne 1 kg (ett mol) is med temperatur 0 C til vann med temperatur 0 C.

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

Norsk finale Fasit

Regneøving 9. (Veiledning: Fredag 18. mars kl og mandag 21. mars kl )

Repetisjonsoppgaver kapittel 5 løsningsforslag

Spesial-Oppsummering Høsten 2009 basert på Innspill fra Studenter

Øving 12 TKP

Fjernvarmeutbygging på Fornebu

2) Finn entropiproduksjonsraten i blandeprosessen i oppgåve 1. (-rate= per tidseining)

Tittel: Fremgangsmåte for å rense prosesskondensat

2. Kjemisk likevekt Vi har kjemisk likevekt når reaksjonen mot høgre og venstre går like fort i en reversibel reaksjon.

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 17. august 2013 Tid:

Løsningsforslag for obligatorisk øving 1

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Kulde- og varmepumpetekniske prosesser Mandag 5. november 2012

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Tirsdag 9. desember 2008 Tid: kl. 09:00-13:00

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK august 2018 Tid:

Spørretime TEP Høsten Spørretime TEP Høsten 2009

Førebuing/ Forberedelse

Løsningsforslag eksamen i TMA4123/25 Matematikk 4M/N

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 20. mai 2015 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, mai 2015/sist revidert 9.juni 2015.

KOSMOS. Energi for framtiden: 8 Solfangere og solceller Figur side 161. Solfangeranlegg. Forbruker. Solfanger Lager. Pumpe/vifte

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 3

Hva er deponigass? Gassemisjon

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Mandag 6. desember 2010 Tid: kl. 09:00-13:00

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 måndag 16. august 2010 Tid:

EKSAMEN I FAG TEP4170 VARME- OG FORBRENNINGSTEKNIKK 18. mai 2007 Tid:

Retningen til Spontane Prosesser. Prosessers Retning

Dato: . er (inkl. 6. ator, fonnelsamling

Biogass for industriell bruk

Tittel: Fremgangsmåte for fjerning av karbondioksid fra en gass

Terralun. - smart skolevarme. Fremtidens energiløsning for skolene. Lisa Henden Groth. Asplan Viak 22. Septemebr 2010

Løsningsforslag til øving 10

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 måndag 15. august 2011 Tid:

VARMEPUMPER OG ENERGI

(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1. (51) Int Cl. NORGE. Patentstyret

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er på 8 sider inklusive forside. Kontaktperson under eksamen: Prof. Richard Engh Telefon:

Eksamen. 1. juni KJP2002 Kjemisk teknologi. Programområde: Kjemiprosess. Nynorsk/Bokmål

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I FAG SIK3038/MNK KJ 253 KROMATOGRAFI

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 21. mai 2008 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, juni 2008/april 2011

(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE. (51) Int Cl. Patentstyret

Hva er styring og regulering

G + + 2f G V V D. V 1 m RT 1 RT P V = nrt = = V = 4 D = m

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

Førebuing/ Forberedelse

Eksamen Prosessteknikk 8.desember 2004 løsningsforslag

Lagring av Kålrot. Torgeir Tajet Norsk Landbruksrådgiving Viken

Transkript:

Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet Fag: Energi og Prosess Institutt for Energi og Prosessteknikk Nr.: TEP 4230 Trondheim, 10.09.03, T. Gundersen Del: Produksjonssystemer Øving: 5 År: 2003 Veiledes: 18.09 Innlevering: ikke TEMA: Konseptuelt Flytskjema for Benzen-produksjon fra Toluen Løsningsforslag: 1) Å fjerne metan (CH 4 ) fra hydrogen ( ) i gassføden til denne prosessen er svært kostbart, da kondensering av metan (atmosfærisk kokepunkt på 112 K eller -161 C) krever svært lave temperaturer. Dessuten er metan et biprodukt fra hovedreaksjonen hvor benzen dannes, slik at konklusjonen er at vi ikke fjerner metan før reaktoren. Det er således heller ikke sett på muligheten for å skille metan og hydrogen vha. membraner. 2) Oppgaven kan løses numerisk ved iterasjon eller analytisk. Den numeriske iterasjon (her utført ved prøving og feiling) gir som følger: Oms.grad (X) 0.900 0.700 0.800 0.810 0.820 0.818 Selektivitet (S) 0.874 0.977 0.957 0.953 0.949 0.950 Utbytte (Y) 0.787 0.684 0.766 0.772 0.778 0.777 Status høy X lav X lav X lav X høy X Greit! Analytisk løsning av uttrykket S = f(x) som er gitt i oppgaveteksten (e) gir følgende: X = 1 - exp { [ ln 0.0036 - ln (1 S) ] / 1.544} Innsatt S = 0.95 gir dette uttrykket X = 0.818059 eller 81.8%. Av tabellen over ser vi at maksimalt utbytte Y = X S trenger ytterligere iterasjoner. Følgende gjelder: X = 0.91 gir S = 0.852 og dermed Y = 0.775, X = 0.89 gir S = 0.891 og dermed Y = 0.793, X = 0.88 gir S = 0.905 og dermed Y = 0.796, X = 0.875 gir S = 0.911 og dermed Y = 0.797, og til slutt X = 0.87 gir S = 0.916 og dermed Y = 0.797. Det kan således konkluderes at maksimalt utbytte oppnås ved en omsetningsgrad på omlag 87%, med en selektivitet på omlag 92% og et utbytte på omlag 80%. Maksimalt utbytte kan også finnes analytisk ved derivasjon av relasjonen mellom X og S og dermed finne maksimumspunktet for Y = X S. 3) Ettersom metan er en urenhet i gassføden, samt et biprodukt fra hovedreaksjonen vil metan være endel av gass-strømmen ut av reaktor. Da metan er svært flyktig vil denne komponenten følge det ennå mer flyktige hydrogenet (ureagert råvare) gjennom det etterfølgende separasjons-systemet. Ettersom det (som argumentert i punkt 1) er svært kostbart å skille metan og hydrogen vil løsningen være å ha en såkalt purge-strøm. Dette innebærer at det for strømmen med flyktige komponenter etter separasjons-systemet arrangeres en enkel strøm-forgrening hvor den ene grenen er purge, mens den andre grenen er resirkulering til reaktor. Side 1 av 6

4) Et enkelt blokkskjema for prosessen på basis av konklusjonene så langt er vist på neste side. 5) Ettersom vi ikke taper noe toluen i produktstrømmene (benzen og diphenyl) som følge av antakelsen om ideelt separasjons-system må omsatt toluen i reaktor være lik frisk føde toluen til prosessen. Benytter uttrykket for selektivitet (oppgaveteksten, punkt e): S Benzen produsert / Toluen omsatt = P B / F FT Dette gir som resultat: F FT = P B / S = 256.41 / 0.95 = 269.91 kmol/time Omsatt toluen som ikke blir til benzen ender opp som diphenyl (disse tre komponentene utgjør aromatene i systemet). Produsert mengde diphenyl blir dermed (når vi tar hensyn til støkiometrien ved at to benzen blir til ett diphenyl): P D = ½ (F FT - P B ) = ½ ( 269.91 256.41) = 6.75 kmol/time Purge P G R G F G F FT Toluen Reaktor Separasjons System Bensen P B R T Toluen Diphenyl P D Mengde purge-gass (P G ) og resirkulert gass (R G ) finnes ved å sette opp to likninger med to ukjente, nemlig molbalansene for hydrogen og metan, samt å benytte opplysningen om at det er 40 mol% hydrogen i purge (oppgavetekst, punkt 5). Molbalansen for hydrogen er basert på: Inn + Dannet = Omsatt + Tapt i Purge Hydrogen omsettes i reaksjon (1) i takt med omsetningen av toluen (som er lik frisk føde toluen) og dannes i reaksjon (2) i takt med diphenyl. Innsatt gir dette: 0.95 F G + P D = F FT + 0.4 P G Molbalansen for metan er tilsvarende basert på: Inn + Dannet = Tapt i Purge Side 2 av 6

Metan dannes i reaksjon (1) i takt med omsetningen av toluen (som er lik frisk føde toluen). Innsatt gir dette: 0.05 F G + F FT = 0.6 P G Setter vi inn for de kjente størrelsene (F FT = 269.91 og P D = 6.75) gir dette purgegassmengde P G = 490.13 kmol/time og fødegass-mengde F G = 483.38 kmol/time. Resirkulert mengde toluen finnes fra omsetningsgraden i reaktoren (X = 81.8%) samt konklusjonen om at omsatt toluen må være lik frisk føde toluen. Total fødemengde toluen til reaktor (F T ) er lik frisk føde toluen (F FT ) pluss resirkulert mengde toluen (R T ). Av dette skal altså 81.8% omsettes og igjen være lik frisk føde toluen: 0.818 (F FT + R T ) = F FT Innsatt for frisk føde toluen gir dette resirkulert mengde toluen R T = 60.05 kmol/time. Resirkulert mengde gass finnes fra kravet til hydrogen/aromat-forhold inn på reaktoren: ( / Aromat ) inn 5.0 Setter dette forholdet til å være lik 5.0 samt innser at det kun er toluen som er aromatisk komponent inn på reaktor. Uttrykket over blir derfor: ( 0.95 F G + 0.4 R G ) / ( F FT + R T ) = 5.0 Innsatt for kjente størrelser (F G = 483.38, F FT = 269.91 og R T = 60.05) gir dette mengde resirkulert gass, R G = 2976.47 kmol/hr, altså en formidabel resirkulasjonsstrøm! I prosesser med purge-strøm blir ofte resirkuleringen stor for å hindre tap av råvare i purge-strømmen. For den aktuelle prosessen er det imidlertid i første rekke kravet til hydrogen/aromat-forhold som presser opp resirkuleringen. 6) Hensikten med purge-strømmen er (i denne prosessen) å sørge for at metan slipper ut av prosessen. For å hindre akkumulering av metan i resirkuleringen må mengde metan i purgestrømmen være lik summen av metan som kommer inn med fødegassen og mengde metan som dannes i reaksjon (1). Dette er inkludert i våre beregninger gjennom molbalansen for metan, men kan sjekkes her: Inn med føde pluss dannet i reaksjon (1): 0.05 F G + F FT = 294.08 kmol/time. Ut med purge-strømmen: 0.6 P G = 294.08 kmol/time Total purge-strøm er beregnet til 490.13 kmol/time, altså tapes det 196.05 kmol/time av råvaren hydrogen. Reduseres total purge-mengde vil tapt hydrogen bli redusert, ettersom mengde metan i purgestrømmen vil (må!) være konstant. Dette kan bare oppnås ved å øke resirkulasjons-strømmen slik at metan-fraksjonen i purge og resirkulering øker. Benytter vi Y PH for å beskrive fraksjon hydrogen i purge-strømmen har vi følgende: Metan som må slippe ut av prosessen: (1 - Y PH ) P G = konstant = 294.08 kmol/time Side 3 av 6

Når purgemengde går ned vil (må!) metan-fraksjonen (1 - Y PH ) gå opp. Dette innebærer at hydrogenfraksjonen (Y PH ) går ned, og dette påvirker uttrykket som ble benyttet for å beregne mengde gass som resirkuleres (R G ): ( 0.95 F G + 0.4 R G ) / ( F FT + R T ) = 5.0 Erstatter vi 0.4 med Y PH innser vi at redusert Y PH må føre til økt R G. 7) Molare strømmer inn på reaktoren: Hydrogen: 0.95 F G + 0.4 R G = 1649.80 kmol/time Metan: 0.05 F G + 0.6 R G = 1810.05 Benzen: = 0.00 Toluen: F FT + R T = 329.96 Diphenyl: = 0.00 Molare strømmer ut av reaktoren: Hydrogen: 0.4 (R G + P G ) = 1386.64 kmol/time Metan: 0.6 (R G + P G ) = 2079.96 Benzen: P B = 256.41 Toluen: R T = 60.05 Diphenyl: P D = 6.75 8) Den totale reaksjonslikningen fåes ved å se på netto forbruk og produksjon av de ulike komponentene gjennom reaktoren: eller (1649.80-1386.64) + (329.96-60.05) Toluen = 256.41 Benzen + (2079.96-1810.05) CH 4 + 6.75 Diphenyl 263.16 + 269.91 Toluen = 256.41 Benzen + 269.91 CH 4 + 6.75 Diphenyl Dette gir følgende uttrykk for standard reaksjonsvarme (, betyr 1000,. betyr desimal): H r 0 H r 0 = 256.41 ( 83) (Benzen) + 269.91 (-75) (Metan) + 6.75 (182) (Diphenyl) - 263.16 (0) (Hydrogen) - 269.91 (50) (Toluen) = - 11,228.22 (kmol/time) (kj/mol) = - 11,228.22 MJ/time = - 11,228.22 (MJ/time) / 3600 (sek/time) = - 3.119 MW eller H r 0 = - 3199 (kw) / 256.41 (kmol Benzen/time) = - 12.16 kwh / kmol Benzen Side 4 av 6

Dette er altså en eksoterm reaktor (omsetter kjemisk energi til termisk energi). 9) På grunn av det store spranget i kokepunkter mellom hydrogen/metan og de tre aromatiske komponentene er det overveiende sannsynlig at en enkel flash-separator vil fungere bra. Dermed unngår vi å kondensere metan som er svært kostbart. De tre aromat-komponentene separeres deretter i to destillasjonskolonner. Fødestrømmen til separasjons-systemet er karakterisert ved følgende: Komponent- Kokepunkt Mengde navn T B (K) (kmol/time) Hydrogen 20 1386.64 Metan 112 2079.96 Benzen 353 256.41 Toluen 384 60.05 Diphenyl 528 6.75 Da det er svært lite diphenyl velges det å separere Benzen fra Toluen (og Diphenyl) først, og deretter separere Toluen fra Diphenyl. Det konseptuelle flytskjemaet for prosessen blir derfor som antydet i figuren under: Purge P G R G F G F FT Toluen Reaktor Flash Bensen P B R T Toluen P D Diphenyl 10) De sentrale energibehovene i dette prosessanlegget vil være som følger: Side 5 av 6

Oppvarming: a) Fødegassen må varmes opp fra 40ºC til reaktor-temperatur 600ºC b) Frisk føde toluen må tilsvarende varmes opp fra 20ºC til 600ºC c) Resirkulert gass må varmes opp fra kompressor utløpstemperatur til 600ºC d) Resirkulert toluen må varmes opp fra pumpens utløpstemperatur til 600ºC e) Varme må tilføres kokerne i de to destillasjonskolonnene, mest til Benzen/Toluen kolonnen, da denne separasjonen er vanskeligst og har størst strømningsmengder. Avkjøling: f) Utløps-strømmen fra reaktoren må avkjøles fra reaktor-temperatur (600ºC) til en temperatur hvor de aromatiske komponentene er kondensert (avhengig av trykket, men benzen koker ved 80ºC ved atmosfæriske betingelser). Trykket i flash-separatoren må ikke legges for lavt, da dette vil føre til store kompresjonsbehov for resirkuleringen. g) Kjøling må tilføres kondensatorene i de to destillasjonskolonnene, mest til Benzen / Toluen kolonnen (vanskeligst separasjon og størst strømningsmengder). Kraft: h) Det sentrale bidraget her er rekomprimeringsbehovet til resirkulasjons-strømmen, da fødegassen har høyt nok trykk. Pumpearbeid er neglisjerbart. Trondheim, 10.09.03 Truls Gundersen Side 6 av 6