Prosessteknikk Prosjekt - 2004

NB. Prosjektgruppene organiserer seg selv når det gjelder fordeling av deloppgaver.

PROSJEKT - Del 1

Innleveringsfrist: tidlig oktober (gruppevis) - se meldinger for eksakt dato.

Anta ideell gass og konstant varmekapasitet i alle deloppgavene. Bruk komponentedata som gitt i f.eks. læreboka (som er noe mer nøyaktige enn de du finner i SI Chemical Data).

Oppgave

For ammoniakk og metanol skal beregninger kun utføres for selve synteseloopen der produktet lages.

1.

Beskriv kjemien (Hvor mange uavhengige reaksjoner er det? Er det birekasjoner? Hvilken katalysator benyttes?) Diskuter hva som bestemmer valg av trykk og temperatur i reaktoren.

2.

Beregn $\Delta_f H$, $\Delta_f G$ og likevektskonstanten K for hovedreaksjonen ved minst tre temperaturer (298 K, reaktortemperatur ved utløp og minst en til). (Følgende uttrykk kan brukes når varmekapasiteten antas konstant:

$$\Delta_{\rm r} H^{\ominus}(T) = \Delta_{\rm r} H^{\ominus}(298) + \Delta_r C_p^{\ominus}\cdot (T-298)$$

$$\Delta_{\rm r} S^{\ominus}(T) = \Delta_{\rm r} S^{\ominus}(298) + \Delta_r C_p^{\ominus}\cdot \ln{T \over 298}$$

$$\Delta_{\rm r} G^{\ominus}(T) = \Delta_{\rm r} H^{\ominus}(T) - T \Delta_{\rm r} S^{\ominus}(T)$$

$$K(T) = e^{-{\Delta_{\rm r} G^{\ominus}(T) \over RT}}$$

Se også eksempelet på side 153-154 i læreboka. Hvis vil dere vil være enda mer nøyaktige og ta med at cP(T) egentlig er en funksjon av T så er det helt fint; se side 155-156 i læreboka.

3a.

Beregn fra flytskjemaet omsetningsgraden av begrensende reaktant(er) i reaktoren (Merk: . beregn reaksjonsomfanget $\xi$ for reaksjonen(e) (Tips: Hvis det er en komponent som kun inngår i en reaksjon, så finnes reaksjonsomfanget for denne reaksjonen enkelt ved å betrakte denne komponenten).

3b. Er hovedreaksjonen nær likevekt ved utløpet av reaktoren (Merk: Utløpet er der det lenger ikke er katalysator og ikke ved utløpet av eventuell etterfølgende varmevekksler)?

4.

Kontroller de oppgitte tallene (gitt på flytskjema eller i egen tabell) ved å sette opp massebalanser over hver av prosessenhetene (håndberegninger!). Kommenter eventuelle avvik.

5.

Lag et program som beregner massebalansen (f.eks. med EXCEL) som brukes for å sjekke delspørsmål 4.

• For reaktoren trenger du en opplysning for hver uavhengige reaksjon. Dette kan for eksempel være gitt omsetningsgrad (for komponent), gitt reaksjonsomfang (for reaksjon) eller gitt likevektskonstant (for reaksjon). Anta i første omgang at reaksjonsomfanget er gitt for hver reaksjon (som funnet over).
• For separasjon og purge kan du anta at splittfraksjonen for hver komponent (se def. i boka) er som gitt av "designdata" på flytskjemaet.

Bruk programmet til å beregne ny massebalanse når reaksjonsomfanget for alle reaksjonene reduseres med 10% og det antas at fødestrømmen til prosessen er konstant og splittforholdene er konstante. (du skal finne at mengden resirkulert øker)

6.

Lag også et alternativt regneark der det antas kjemisk likevekt for minst en utvalgte reaksjoner (Her skal reaksjonsomfanget for de utvalgte likevektsreaksjoner beregnes fra data for likevektskonstanten.) Sammenlign resultatene med det du fant med gitt reaksjonsomfang.

7.

Beregn fra energibalansen enten kjølebehovet i reaktoren (ikke-adiabatisk reaktor) eller utløpstemperaturen (adiabatisk reaktor). (Merk at utløpstemperaturen ikke nødvendigvis er like reaktsjonstemperaturen siden det kan skje en etterkjøling).

8.

Velg ut en varmeveksler i prosessen. Beregn fra data i flytskjema varmemengden som avgis fra varm side og varmemengden som tilføres kald side (varmemengdene kan være ulike pga. feil i data eller at antagelsene ikke er riktige; kommenter evt. dette). En varmeveksler beregnes vanligvis fra formelen Q = U A LMT, hvor LMT er log-midlere temperaturforskjell mellom varm og kald side, A er varmevekslerens areal og U [W/m2 K] er varmegjennomgangskoeffisienten.. Hvis dT1 er temperaturforskjellen på den ene siden og dT2 er temperaturforskjellen på den andre siden av varmeveksleren, så er LMT = (dT1 - dT2)/ln(dT1/dT2). Se også side 112 i læreboka. Beregn fra dette UA varmeveksleren (Oppgave ekskursjon: Finn ut hva arealet A er, og beregn fra dette varmegjennomgangstallet U).

PROSJEKT - Del 2 (Hovedrapport)

Innleveringsfrist: begynnelsen av november (gruppevis) - se meldinger for eksakt dato.

NB. Merk at vesentlige deler av hovedrapporten (del 2) kan tas fra del 1, men for del 2 ønskes også at energibalanser tas med i regnearketi den grad det er hensiktsmessig.

Rapporten forventes å ha innhold omtrent som følger:

1.

Innledning (halv side om hva som er gjort og hvorfor dette er skrevet).

2.

Overordnet beskrivelse av hele anlegget inkl. reaktor og separasjon (oversiktlig og enkelt!). ca. 1 side.

3.

Beskrivelse av kjemi (inkl. verdier for dannelsesvarme og $\Delta G_r$, likevektskonstant som funskjon av T), katalysator, evt. kinetikk, litt om valg av trykk og temperatur). ca. 3 sider.

4.

Beskrivelse av reaktor og de viktigste enheter med forenklet flytskjema. ca. 3 sider.

5.

Massebalanse for alle viktige enheter. Fremgangsmåte skal forklares! ca. 2 sider.

6.

Energibalanse for de samme, inkl. kompressorer og varmevekslere. (beregne også UA for varmevekslere). Fremgangsmåte skal forklares! Lag gjerne et oversiktlig flytskjema med verdier påført. Kommenter resultatene! ca. 4 sider.

7.

Kort om miljømessige forhold og økonomi. ca. 1/2 side.

8.

Kort om ekskursjonen og hva man fikk se (spesielt om hva man lærte som man ikke lærer fra teorien). ca. 1/2 side

9.

Diskusjon

(a)

Tekniske forhold (usikkerheter og antagelser i masse- og ernergibalanser etc.)

(b)

Selve prosjektopplegget. Forslag til forbedringer.

(c)

Annet

ca. 1 side

10.

Konklusjon ca. 0.5 side

Totalt ca. 15-20 sider. (Med 1 side menes innhold tilsvarende ca. 1 maskinskrevet A4 side med normal skriftstørrelse og 1.5 linjeavstand. Rapporten kan leveres håndskrevet.)

Bilag: Utskrift fra regneark dersom det ikke er med i hovedrapport.