Kiegészítő desztillációs példa. 1. feladatsor. 2. feladatsor

Átírás

1 Kiegészítő desztillációs példa D3. példa: Izopropanol propanol elegy rektifikálása tányéros oszlopon 2104 kg/h 45 tömeg% izopropanol-tartalmú propanol izopropanol elegyet folyamatos üzemű rektifikáló oszlopon, atmoszférikus nyomáson 90 tömeg% izopropanol, illetve 95 tömeg% propanol tartalmú termékekre választunk szét. A betáplálás forrponti folyadék, helyzete optimális. A propanol és az izopropanol elegye ideális elegynek tekinthető. a) Mennyi a desztillátum és a maradék mólárama? b) Mennyi a minimális tányérszám? c) Mennyi a minimális refluxarány? 1. feladatsor mol% benzoltartalmú benzol toluol elegyet folyamatosan működő rektifikáló oszlopon, légköri nyomáson 95 mol% illetve 10 mol% benzoltartalmú áramokra választunk szét. A betáplálás mólárama 38 kmol/h. Az alkalmazott üzemi refluxarány 2. A kolonnában 11 tányér van. Az oszlop átmérője 85 cm, magassága 5 m. Az oszlopot részleges visszaforralóval (fűtőgőz nyomása: 0,21 MPa) és totál kondenzátorral (hűtővíz belépő hőmérséklete 20 C, a kondenzátor felülete 25 m 2 ) szerelték. A betáplálás forrponti folyadék, helyzete optimális. Az elegy párolgáshője kj/kmol, moláris fajlagos hőkapacitása 154,2 kj/(kmol K). A számításokhoz használható a tökéletes gáztörvény és a Lewis feltétel. a) Határozza meg az átlagos tányérhatásfokot! (20p) b) Számítsa ki a terhelési tényező értékét az oszlop tetején! (20p) c) Hány százalékkal nő meg a fűtőgőz-igény, ha a betáplálás csak 50 C hőmérsékletű? (Minden egyéb üzemi paraméter azonos.) (10p) 2. A+B C típusú folyadékfázisú, másodrendű, irreverzibilis kémiai reakciót adiabatikus üzemeltetésű csőreaktorban valósítják meg. A reakció oldatban játszódik le. A komponensek koncentrációi a tárolótartályokban: A oldat 0,2 kg/dm 3 (M A=100 g/mol); B oldat 0,112 kg/dm 3 (M B = 80 g/mol). Az A tartályból 2 dm 3 /min, a B tartályból 3 dm 3 /min térfogatárammal adagoljuk az oldatokat a reaktorba. Két hőmérsékleten ismert a reakciósebességi tényező értéke: 22 C-on 1,5 dm 3 /(mol h), 50 C-on 9 dm 3 /(mol h). Mekkora térfogatú csőreaktor esetén 84% a konverzió, ha a betáplálás hőmérséklete 22 C? A reakcióhő -242 kj/mol, a sűrűség 850 kg/m 3, a fajhő 3,1 kj/(kg K). (50p) Ha numerikus intergrálást végez, 5 pont felvétele elegendő. Adjon be minden diagramot, amin szerkesztett! 2. feladatsor 1) Üstre szerelt, 1,3 m rendezett töltetet tartalmazó, 20 cm átmérőjű rektifikáló oszlopon etanol + víz elegyet rektifikálunk, atmoszférikus nyomáson. Az oszlop teljes refluxszal üzemel. Stacioner állapotban a refluxból vett minta 90 mol% etanolt tartalmaz, az üstmintában 97 mol% víz van. A reflux tömegárama 59,6 kg/h. (M etanol = 46 g/mol, a M víz = 18 g/mol) a) Adja meg a rendezett töltet HETP értékét! (20pont) b) Számítsa ki a terhelési tényező értékét az oszlop tetején! (20pont) 2) Az A B C D reakciót tökéletesen kevert szakaszos reaktorban valósítják meg. A reakciósebesség másodrendűként írható le, azaz r kc c, ahol 5 k 6,52 10 exp RT m 3 /(kmol min). A reakcióhő J/mol. A tartályban lévő oldószerbe bemértek 55 kg A anyagot és 40 kg B anyagot. A reakcióelegyben indulásnál nincs C és A B

2 D termék, térfogata 830 dm 3, forráspontja a reaktor nyomásán 71 C, a fajhő 2755 J/(kg K), sűrűsége 835 kg/m 3, nem változik a művelet során. A szakaszos reaktor a környezet felé tökéletesen szigeteltnek tekinthető, és visszafolyó kondenzátorral szerelt, melyet vízárammal hűtünk. ( g/mol; g/mol; M 110 g/mol; g/mol) M A 110 M B 80 C a) Ha a reakció beindításakor a reakcióelegy hőmérséklete 25 C, adiabatikus reakcióvezetés esetén mennyi idő múlva kezd el forrni a reakcióelegy? (40pont) b) A forráspont elérésétől kezdve a visszafolyó kondenzátor üzemeltetése megakadályozza az oldószergőzök eltávozását. A forrás kezdetétől számítva mennyi idő alatt lesz a kiindulási anyagra vonatkoztatott konverzió 90%. (20pont) M D 80 Ha a feladat megoldásánál numerikusan integrál, az integrálásnál 6 pont elegendő. 3. feladatsor 1. Folyamatos kevert tartályreaktorban A+B k- C+D típusú egyensúlyi reakciót végzünk. A reaktor 0,3 m 3 térfogatú, az A komponenst tartalmazó áram betáplálási térfogatárama 15 dm 3 /min, és 1,2 mol/dm 3 A komponenst, a B komponenst tartalmazó árama 18 dm 3 /min és 1,1 mol/dm 3 B komponenst tartalmaz. A k 1 értéke 15 dm 3 /(mol min), a k -1 értéke 3 dm 3 /(mol min) 60 C-on. Elérhető-e ilyen üzemeltetési feltételek között napi 18 kmol C termék előállítása (melléktermék nem képződik)? (40 pont) 2. Töltött oszlopban atmoszférikus nyomáson 1,5 kmol/h 55 mol% fenolt tartalmazó fenol metakrezol elegyet kell szétválasztani. Mérési eredményeink szerint ha a refluxarány 6, a fenolban a metakrezol szennyezés 4 mol%, a metakrezol áramban a fenoltartalom 10 mol%. Az oszlopot részleges visszaforralóval használjuk. Forrponti folyadék betáplálás mellett dolgoztunk, amelynek a helyzete optimális. a) Határozza meg a 3,2 m töltetmagasságú oszlopban a HETP értékét! (25 pont) b) Az oszlop átmérője 30 cm. Mennyi a pára üres oszlopra vonatkoztatott áramlási sebessége az oszlop tetején? (20 pont) c) A részleges visszaforraló egy egyensúlyi desztillációs lépésnek tekinthető, amelynek ismeri a munkapontját (kilépő gőz és folyadék összetételek). Határozza meg a visszaforralóba belépő folyadék összetételét! Megoldását indokolja! (15 pont) 4. feladatsor k 1 1) 100 kmol/h 45 mol%-os benzol+toluol elegyet folyamatosan működő rektifikáló oszlopon 98 mol%-os desztillátumra és 4 mol%-os maradékra választunk szét. Az alkalmazott üzemi refluxarány 3. A betáplálás 20% gőzt tartalmaz, helyzete optimális. c) Hány kg/h a desztillátum - és a maradék árama? (5pont) d) Az alkalmazott refluxarány hányszorosa a minimálisnak? (5pont) e) Mekkora az üstben közölt - és a kondenzátorban elvont hőáram? Az átlagos moláris párolgáshő értéke: 30 kj/mol. (10pont) f) Mekkora átmérőjű felső oszlopra van szükség, ha a fejben F megengedett értéke 13, Pa? (20pont) 2) Az A B C D folyadékfázisú irreverzibilis reakció másodrendű. M A 60 g/mol; M B 110 g/mol; M C 100 g/mol; M D 80 g/mol. Laboratóriumi kísérletek alapján a következő adatokkal rendelkezünk: Szakaszos reaktorba 960 g 40%-os A anyagot és 1140 g 55%-os B anyagot teszünk. A reakcióelegyben indulásnál nincs C és D termék. A reakcióelegy sűrűsége 1050 kg/m 3, nem változik a művelet során. A reaktort T = 20 C-on üzemeltetve, az indítás után 10 perccel a következő C anyag 3 koncentrációt mértük: c C 150 g / dm.

3 2 dm 3 térfogatú folyamatos működésű tökéletesen kevert tartályreaktorba 40 cm 3 /min 20 C-os, 5,6 mol/dm 3 koncentrációjú A oldatot és 40 cm 3 /min 20 C-os, 5,6 mol/dm 3 koncentrációjú B oldatot adagoltunk. A reaktor tökéletesen szigeteltnek tekinthető (adiabatikus reaktor). A kilépő áram 60 C-os, 3 benne az A anyag koncentrációja a mérések szerint c A 0,105 mol / dm volt. A reakcióelegy sűrűsége 1050 kg/m 3, fajhője c 4, 18 p kj / kgk Az félüzemi laboratórium folyamatos működésű tökéletesen kevert tartályreaktorának térfogata 0,15 m 3, a betáplált reakcióelegy hőmérséklete 20 C, térfogatárama 0,66 m 3 /h, benne a reakciókomponensek 3 koncentrációja megegyezik, értéke c c 3 kmol / m. Egyéb anyagi jellemzők megegyeznek a Abe Bbe laboratóriumi kísérletbelivel. A tökéletesen szigetelt reaktort 25 C átlagos hőmérsékletű (be és kilépő hőmérséklete gyakorlatilag megegyezik) közeggel hűtjük. A reaktor hőmérséklete állandósult állapotban 50,19 C. Mekkora a konverzió a reaktorban, és hány kw a hőátadó felületen keresztül elvitt hőáram? (60 pont) 5. feladatsor 1. példa Egy üsttel egybeépített töltött rektifikáló oszlopból álló berendezést R = 1 refluxaránnyal üzemeltetünk légköri nyomáson (1,013 bar). A betáplálás forrponti folyadék, 60 mol% víz, 40 mol% metanol elegy, tömegárama 425 kg/h. Az oszlopon a nyomásesés elhanyagolható. Az oszlop átmérője 350 mm, aktív magassága (a töltetet tartalmazó része) 2,2 m. Állandósult állapotban a fenéktermék 3 mol% metanolt, a desztillátum 5 mol% vizet tartalmaz. a) Számítsa ki az elválasztásra jellemző átviteli egységek számát (NTU)! (25p) b) Számítsa ki töltetre jellemző Ky a (anyagátbocsátási tényező és fajlagos felület) szorzatot! (25p) 2. példa Izoterm csőreaktorban 60 C-on A B+C típusú reakciót végzünk, ami az A komponensre nézve elsőrendű. Az állandó hőmérsékletet köpenyen keresztüli hűtéssel biztosítjuk. A reakciósebességi együttható az Arrhenius-egyenlettel számítható, és értéke 20 C-on k = 120 h -1. Az A komponens betáplálási koncentrációja 2,5 mol/dm 3, árama 30 dm 3 /min. A reakció aktiválási energiája 8100 J/mol. A reakcóhő -150 MJ/kmol. A reaktor hőkapacitása elhanyagolható, a reakcióelegy sűrűsége 910 kg/m 3, viszkozitása 0,8 mpas, fajhője 3,35 kj/(kg K). a) 95%-os konverzió eléréséhez milyen hosszú cső szükséges, ha belső átmérője 5,2 cm? (35p) b) Mekkora hőáramot kell elvonnunk a reaktorból, ha az izoterm reakcióvezetést biztosítani kívánjuk? (15p) Numerikus integrálásnál 6 pont elegendő! 6. feladatsor 1. példa Flash desztilláció során 50 mol%-os pentán+hexán elegy felét elpárologtatjuk. Milyen összetételű desztillátumot és maradékot kapunk? (15 pont) 2. példa 50 kmol/h 40 mol%-os pentán+hexán elegyet folyamatosan működő rektifikáló oszlopon 95 mol%-os desztillátumra és 2 mol%-os maradékra választunk szét. Az alkalmazott üzemi refluxarány 3. Az üsttel egybeépített rektifikáló oszlop 12 tányért tartalmaz, a betáplálás 1:1 arányú folyadék-gőz elegy, helyzete optimális. a) Az alkalmazott refluxarány hányszorosa a minimálisnak? (5 pont)

4 3. példa b) Mekkora az átlagos oszlophatásfok? (15 pont) c) Hány kw az üstben közölt - és a kondenzátorban elvont hőáram? Az átlagos moláris párolgáshő értéke: 27 kj/mol. (15 pont) Az A+B C+D reakciót adiabatikusan üzemeltetett tökéletesen kevert szakaszos reaktorban valósítják meg. A reakciósebesség másodrendűként írható le, azaz, ahol 8 k 1,35 10 exp 8000 T m 3 /(kmol min). A reakcióhő -89 kj/mol, fajhő 3,7 kj/(kg K). A keverős tartályba bemérnek 960 kg A anyagot (M A = 96 g/mol) és 1180 kg B anyagot (M B = 118 g/mol). A reakcióelegy (folyadék) térfogata ekkor 2,5 m 3, az üzemeltetés során nem változik. A reakció indításakor a reakcióelegy hőmérséklete 25 C. Mennyi idő alatt érhető el 90 %-os konverzió? (50 pont) Numerikus integrálásnál 6 pont elegendő! r kc c A B

5 1.1.1 Benzol toluol Elegyek adatai Benzol Toluol Antoinekonstansok A 6, ,95464 B 1211, ,80 C 220,79 219,482 M [g/mol] Tfp [ C] (p = 1 atm) 80,1 110,6 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 ybenzol [-] 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x benzol [-] X.1. ábra Benzol toluol elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)

6 T [ C] ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x benzol, y benzol [-] X.2. ábra Benzol toluol elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)

7 y metanol [-] Metanol víz Antoinekonstansok Metanol Víz A 8, ,07131 B 1582, ,63 C 239, ,426 M [g/mol] Tfp [ C] (p = 1 atm) 64,5 100, x metanol [-] X.3. ábra Metanol víz elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)

8 T [ C] x metanol, y metanol [-] X.4. ábra Metanol víz elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)

9 1.1.3 Pentán hexán Pentán Hexán Antoinekonstansok A 6, ,87024 B 1075, ,72 C 233, ,21 M [g/mol] Tfp [ C] (p = 1 atm) 36,0 68,7 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 ypentán [-] 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x pentán [-] X.5. ábra Pentán hexán elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)

10 T [ C] ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x pentán, y pentán [-] X.6. ábra Pentán hexán elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)

11 1.1.4 Fenol metakrezol Fenol Metakrezol (3-metilfenol) Antoinekonstansok A 6, ,76147 B 1382, ,92 C 159, ,73 M [g/mol] Tfp [ C] (p = 1 atm) 181,9 202,7 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 yfenol [-] 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x fenol [-] X.7. ábra Fenol metakrezol elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)

12 T [ C] ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 x fenol, y fenol [-] X.8. ábra: Fenol metakrezol elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)

13 y etanol [-] Etanol víz x etanol [-] x.9 ábra: Etanol - víz elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)

14 TT C] x etanol [-] x.10 ábra: Etanol - víz elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)