konte-eksamen2010

8/2/2019 konte-eksamen2010

1/11

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitetInstitutt for kjemisk prosessteknologi

KONTINUASJONSEKSAMENI FAG TKP 4105 - SEPARASJONSTEKNIKK

Faglig kontakt under eksamen: May-Britt Hgg Tlf: 930 80834

Eksamensdato: 10.08.2010

Eksamenstid: 09:00 13:00

7,5 studiepoeng

Tillatte hjelpemidler: Ingen trykte eller hndskrevne hjelpemidler tillatt.

Bestemt enkel kalkulator tillatt (kode D)

Sprkform:

Antall sider bokml/nynorsk/engelsk: 6 + forside

Antall sider vedlegg: 4 (2 vedlegg)

Sensurdato:

_____________________________________________________________________Merk! Studentene m primrt gjre seg kjent med sensur ved oppske sensuroppslagene. Evnt. telefoner omsensur m rettes til instituttet eller sensurtelefonene. Eksamenskontoret vil ikke kunne svare p slike telefoner.


2/11

Oppgave / Oppgve 1: Ett-trinns flash (20%)

(a) Den relative flyktigheten mellom komponentene 1-2 er definert som = (y1/x1) / (y2/x2).

(a1) Bruke dataene under til bestemme for propan-butan (bruk = 6 hvis du ikke

fr det til).

(a2) Utled sammenhengen mellom y1 og x1 (molfraksjon lett komponent) for en binrblanding med konstant relative flyktighet.

(b) ) Tegn xy-diagrammet og skissr Txy-diagrammet for propan-butan ved 1 atm.

(c) Flash. Flgende to strmmer blandes:

Strm Fa: 80 mol/s. Mettet damp ved 1 atm. 50% propan. 50% n-butan

Strm Fb: 70 mol/s. Mettet vske ved 1 atm. 50% propan. 50% n-butan

Den blandede strmmen separates in adiabatisk flashtank ved 1 atm og gir er vskeprodukt L

and gassprodukt V (i likevekt). Bestem mengde og sammensetning av strmmene L og V.

Anta konstant relativ flyktighet . Energibalanse: Anta konstante molare strmmer.

(d) Gi en rangering av temperaturene til strmmene Fa, Fb, L og V (grunngi svaret ditt).

Damp/vske-likeveltsdata:

Kokepunkt (1 atm) Damptrykk ved 240K

Propan (1) 231.14K 1109 mmHg

Butan (2) 272.98K 180.6 mmHg

Oppgave / Oppgve 2. Destillasjon (10%)

En vskefde 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 f produkter 0.1% A (bunn) og 1% B (topp). Hvor mange

teoretiske trinn (omtrentlig) vil du anbefale i en virkelig kolonne?

Oppgave / Oppgve 3. Formel (10%)

Gitt formelen2

1

*

A

A

y

y AG Ay

V dyz

K aS y y

(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 p? Hvordan kan den lses?

(c) Hva er NA uttrykt ved variablene i formelen? Hva er HTU, NTU, HOG og NOG?

Oppgave / Oppgve 4. Regulering (10%)

Tegn et flytskjema av en kontinuerlig destillasjonskolonne. Varmetilfrselen (oppkok V) er

p sin maksimalverdi (for f til best mulig separasjon). Foresl en reguleringsstruktur basertp tilbakekobling (med to LCer, en PC og en TC). Fdestrmmen er gitt (forstyrrelse).


3/11

Oppgave / Oppgve 5 Membranseparasjon gasser (30%)

En alternativ miljvennlig metode under utvikling for fjerne CO2 fra en gasstrm p, er

benytte skreddersydde membraner der CO2 permeerer hurtigst gjennom membranen og andre

gasser holdes tilbake i gasstrmmen. Utfordringene er forskjellig alt etter type gasstrm somskal behandles. For illustrere dette, ser vi p tre forskjellige tilfeller hvor CO2 skal fjernes.

For enkelhets skyld, betrakter vi gassblandingene som kun bestende av to komponenter;

dette er illustrert i parentes under. Prosessbetingelsene er gitt i hvert enkelt tilfelle.

1. CO2 fra forbrenningsgass (5 mol% CO2 i blanding med 95 mol% N2)Fdetrykk: 4 bar, permeattrykk: 0,1 bar, massestrm: 50 kg/s

2. CO2 for oppgradering av biogass (40 mol% CO2 i blanding med 60 mol% CH4)Fdetrykk: 7bar, permeattrykk: 1 bar, volumstrm: 75 m3(STP)/time

3. CO2 fra naturgass (10 mol% CO2 i blanding med 90 mol% CH4)Fdetrykk: 70 bar, permeattrykk: 1 bar, volumstrm: 104 m3(STP)/ time

Det er nskelig benytte en bestemt type polymer membran som er svrt permeabel for CO 2

i alle tre tilfellene. Membranen er 2 m tykk, og har flgende permeabiliteter, P:

PCO2 = 6.10-7 m3(STP).m/m2.bar.h

PN2 = 3.10-9 m3(STP).m/m2.bar.h

PCH4 = 1,2.10-8 m3(STP).m/m2.bar.h

a) Beregn minimum konsentrasjon av CO2 i retentatstrmmen for de tre tilfellene overb) Utfr beregninger som indikert under for tilfellet 3) ved benytte ideell blandemodell

nr kravene er som flger:

Fraksjonen av CO2 i den rensede naturgassen fr den selges til Europa er 2,5 vol% For

minske tapet av CH4 settes permeatkuttet () lik 0,1. Beregn ndvendigmembranareal.

c) Redegjr for hva slags konfigurasjon du vil velge p membranmodulen (flate,spiralrullet, hulfiber) og om det br vre medstrm, motstrm eller kryss-strm.

Gitt: Likninger og informasjon i vedlegg 1


4/11

Oppgave / Oppgve 6 Trking (20 %)

a) Ved trking av et materiale har vi behov for kjenne trkeluftas temperatur ogfuktighetsinnhold. Definer flgende parametre som er viktige i denne sammenheng:

-vtkuletemperatur, trrkuletemperatur

-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 luftstrm med temperatur 75C,

duggpunktstemperatur 30C og 10% relativ fuktighet. Den fuktige luftas totaltrykk er 1 bar.

Gitt: Vedlegg 2 med diagram og tabeller. Diagrammet skal benyttes for tegne inn lsningog leveres med besvarelsen.


5/11

English version

Problem 1: Single-stage flash (20%)

(a) The relative volatility between components 1-2 is defined as = (y1/x1) / (y2/x2).

(a1) Use the data below to find for propane-butane (use = 6 if you cannot find it).(a2) Derive the relationship between y1 and x1 (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 Fa: 80 mol/s. Saturated vapour at 1 atm. 50% propane. 50% n-butane

Stream Fb: 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 . Energy balance: Assume constant molar flows.

(d) Rank the temperatures of the streams Fa, Fb, L and V (justify your answer).

Vapor-liquid equilibrium data:

Boiling point (1 atm) Vapor pressure at 240K

Propane (1) 231.14K 1109 mmHg

Butane (2) 272.98K 180.6 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 formula2

1

*

A

A

y

y AG Ay

V dyz

K aS y y

(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 NA in terms of the variables in the formula? What is HTU, NTU, HOG and NOG?

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 twoLCs, one PC and one TC). The feed stream to the column is given (disturbance).


6/11

Problem 5. Membrane separation Gases (30%)

An alternative environmentally friendly way of removing CO2 from gas streams is under

development this method is using tailormade membranes where CO2 is permeating very fast

through the material and other gases are being retained on the feed side. The challenges aredifferent depending on type of gas mixture. In order to illustrate this, three different gas

streams containing CO2 are given below. For sake of simplicity, only two components are

considered. Process conditions are given for each case.

1) CO2 from flue gas (5 mole% CO2 in mixture with 95 mole% N2)Feed pressure: 4 bar, permeate pressure 0,1 bar. Mass flow 50 kg/s

2) CO2 from biogas (40 mole% CO2 in mixture with 60 mole% CH4)Feed pressure: 7 bar, permeate pressure: 1 bar. Volume stream: 75 m3(STP)/hour

3) CO2 from natural gas (10 mole% CO2 in mixture with 90 mole% CH4)Feed pressure: 70 bar, permeate pressure: 1 bar. Volume stream: 104 m3(STP)/hour

membrane with high permeation for CO2 is chosen for all three cases. The membrane

is 2 m thick, and has the following permeabilities, P:

PCO2 = 6.10-7 m3(STP).m/m2.bar.h

PN2 = 3.10-9 m3(STP).m/m2.bar.h

PCH4 = 1,2.10-8 m3(STP).m/m2.bar.h

a. Calculate the minimum concentration of CO2 which can be obtained in the retentatestream for all three cases

b. Calculate the necessarry membrane area for case 3) by using the given equations andthe following information: The fraction of CO2 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 CH4in the permeate stream, the permeate cut () is set to 0,1.

c. Explain which kind of configuration you will choose for the membrane module andwhy (flat sheets, spiral-wound, hollow fibres), and whether it should be cocurrent,

counter current or cross flow.

Given: Equations and information in Attahcment 1


7/11

Problem 6. Drying (20%)

a. When a material is being dried, we need to know the temperature of the air used fordrying 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, humiditycontent (absolute and percentage) and adiabatic saturation temperature for an air

stream of temperature 750C, dew point temperature of 300C 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 thediagram and turn it in with the other exam papers.


8/11

ATTACHMENT 1

Please note that the units given here for P and q can be neglected. Use the units given inthe problem


9/11


10/11

ATTACHMENT 2


11/11

If needed; molecular weight of H2O is 18 g/mole and of air is 29 g/mole

konte-eksamen2010

Documents