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 1. 60 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 30336 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 42900 RT m 3 /(kmol min). A reakcióhő -319470 J/mol. A tartályban lévő oldószerbe bemértek 55 kg A anyagot és 40 kg B anyagot. A reakcióelegyben indulásnál nincs C és A B
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.
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)
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
1.1.1 Benzol toluol Elegyek adatai Benzol Toluol Antoinekonstansok A 6,90565 6,95464 B 1211,033 1344,80 C 220,79 219,482 M [g/mol] 78 92 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)
115 110 105 T [ C] 100 95 90 85 80 75 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, y benzol [-] X.2. ábra Benzol toluol elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)
y metanol [-] 1.1.2 Metanol víz Antoinekonstansok Metanol Víz A 8,08097 8,07131 B 1582,271 1730,63 C 239,726 233,426 M [g/mol] 32 18 Tfp [ C] (p = 1 atm) 64,5 100,0 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 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 metanol [-] X.3. ábra Metanol víz elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)
T [ C] 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 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 metanol, y metanol [-] X.4. ábra Metanol víz elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)
1.1.3 Pentán hexán Pentán Hexán Antoinekonstansok A 6,87632 6,87024 B 1075,78 1168,72 C 233,205 224,21 M [g/mol] 72 86 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)
70 65 60 T [ C] 55 50 45 40 35 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, y pentán [-] X.6. ábra Pentán hexán elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)
1.1.4 Fenol metakrezol Fenol Metakrezol (3-metilfenol) Antoinekonstansok A 6,93051 6,76147 B 1382,65 1355,92 C 159,493 146,73 M [g/mol] 94 108 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)
205 200 T [ C] 195 190 185 180 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, y fenol [-] X.8. ábra: Fenol metakrezol elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)
y etanol [-] 1.1.5 Etanol víz x etanol [-] x.9 ábra: Etanol - víz elegy egyensúlyi diagramja (p = 1 atm)
TT C] x etanol [-] x.10 ábra: Etanol - víz elegy forrpont diagramja (p = 1 atm)