Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16 Ćwiczenia 1 7.10.2015 1. Załóżmy, że balon ma kształt sfery o promieniu 3m. a. Jaka ilość wodoru potrzebna jest do jego wypełnienia, aby na poziomie morza ciśnienie wynosiło 1atm w temperaturze 25C. b. Jaki ciężar można unieść tym balonem jeśli gęstość powietrza wynosi 1,22 kg/m 3 c. Jaki ciężar zostanie uniesiony jeśli wodór zastąpi się helem. 2. W butli o objętości V = 0,06 m 3 znajduje się dwutlenek węgla (M co2 = 44 kg/kmol) pod ciśnieniem manometrycznym pm 1 = 3,5 MPa i o temperaturze T 1 = 293 K. Butla ma zawór bezpieczeństwa, który otwiera się przy ciśnieniu pm 2 = 4 MPa. Ile kg gazu ujdzie z butli, jeżeli podgrzeje się ten gaz do temperatury T 2 = 550 K? Przyjąć ciśnienie otoczenia P ot = 100 kpa oraz że jest to gaz doskonały. Pominąć straty ciepła do otoczenia przez ściany zbiornika.
Ćwiczenia 2 14.10.2015 1. Po procesie katalitycznej konwersji metanu w produktach stwierdzono następujące substancje: CH 4, H 2 O, CO 2, CO, H 2, C Wyznaczyć liczbę niezależnych składników oraz liczbę niezależnych reakcji. Zaproponować te reakcje. 2. W procesie utleniania dwutlenku siarki 2SO 2 +O 2 = 2SO 3 Skład substratów (%vol)wynosi odpowiednio: SO 2 =10%, O 2 =11% oraz N 2 =79%. Stopień przemiany α SO2 = 0,60. Obliczyć składy produktów: a. w ułamkach molowych, b. w ułamkach masowych, c. w stężeniach molowych. Przyjąć, że gazy zachowują się jak idealne w warunkach T=298K oraz p=1 bar. 3. Reakcja konwersji tlenku węgla zachodzi pod ciśnieniem 1 bar oraz w T=600K. Stopień konwersji tlenku węgla w tej reakcji wynosi α CO =0.72. Przyjmując początkowy skład mieszaniny (% vol. ) CO=0.12; H 2 O=0.1; H 2 =0.03; N 2 =0.75 obliczyć skład końcowy mieszaniny w ułamkach masowych.
Ćwiczenia 3 21.10.2015 1. Etan jest spalany przy 40% nadmiarze powietrza. Całkowity stopień przemiany etanu wynosi 90%, natomiast selektywność jego spalania do tlenku węgla wynosi 10%. Obliczyć skład produktów końcowych procesu. 2. Zakładając, że węgiel składa się z substancji organicznej, którą możemy przedstawić w postaci hipotetycznej cząsteczki C a H b S c oraz substancji mineralnej o udziale masowym A. Przyjmując, że b/a=0.6 oraz współczynnik nadmiaru powietrza λ=1.2 wyznaczyć: a. Zależność między udziałem molowym SO 2 w suchych spalinach a udziałem siarki (y) i składników mineralnych (z) w węglu SO 2 =f(y,z). (Założyc masę węgla =1kg) b. Przyjmując y=0.015 oraz z= 0.2 stwierdzić czy spalając taki węgiel potrzebny byłby proces dodatkowego odsiarczania spalin? c. Dla danych z punktu b wykonać bilans masowy procesu. 3. Proces utleniania amoniaku można zapisać za pomocą 3 niezależnych reakcji prowadzących do otrzymania następujących produktów: NO, N 2, NO 2 oraz wody. Początkowy skład mieszaniny gazowej wynosił: x onh3 =0,12; x oh2o =0,036; x on2 =0,38; x oo2 =0,164 W produktach nie wykryto amoniaku, natomiast stężenia tlenków azotu wynosiły odpowiednio: x NO2 =0.03 oraz x NO =0,086. Zapisać model tego procesu oraz obliczyć stopnie postępu poszczególnych reakcji. 4. W procesie syntezy metanolu temperaturze T=495K oraz pod ciśnieniem p=51*10 5 Pa skład początkowy mieszaniny reakcyjnej wynosił odpowiednio: x oh2 = 0,7438; x oco2 = 0,1; x oco =0,118 oraz x 0in = 0,0382 Po procesie otrzymano następujący skład produktów: x CO =0,1044; x CO2 =0,0902; x H2 =0,7045; x CH3OH =0,0414; x H2O =0,0181; x in =0,0413. Obliczyć stopień przemiany względem tlenku oraz dwutlenku węgla. 5. Proces odwodornienia propanu przebiega zgodnie z następującą reakcją: C 3 H 8 = C 3 H 6 +H 2
Proces prowadzi się w reaktorze kontaktowym z obiegiem (recyrkulacją) w warunkach stacjonarnych. Całkowity stopień przemiany propanu α A =0.95. Strumień produktów za reaktorem rozdzielany jest w separatorze na 2 osobne strumienie: a. Odprowadzany z układu strumień produktów zawierający wodór, propen oraz 0.555% propanu zawartego w strumieniu wyprowadzanym z reaktora. b. Strumień obiegowy zawierający pozostały, nieprzereagowany propan oraz 5% propenu zawartego w strumieniu wyprowadzanym z układu. Strumień substratu wynosi 300kmol/h. Obliczyć skład wszystkich strumieni występujących w układzie, liczbę obiegu oraz stopień przemiany w reaktorze.
Ćwiczenia 4 17/18.11.2015 1. Proces konwersji tlenku węgla prowadzi się w reaktorze przepływowym w warunkach T=773K oraz p=0.1mpa. Do reaktora doprowadzany jest strumień substratów F 0n = 100kmol/min, zawierający substraty w stosunku CO:H 2 O=1:3 i o temperaturze 473K. Stopień przemiany tlenku węgla wynosi 0.9. Obliczyć strumień ciepła wymienianego przez reaktor. 2. Odwodornienia etanolu przebiega wg schematu: A -> B+C. Strumień substratu n 0A = 100mol/s o temperaturze T=300 C. Obliczyć temperaturę końcową strumienia produktów, jeżeli stopień konwersji α A wynosi 70%. Średnie ciepła molowe składników, kj/(mol*k): C A =0,110; C B =0,080; C C =0,029 oraz standardowe entalpie tworzenia wynoszą odpowiednio -235,42; -166,43; 0 kj/mol. 3. Do reaktora doprowadzany jest mieszanina metanu oraz powietrza (mol/s): n CH4 =n O2 =100. Temperatura metanu wynosi 298K, natomiast temperatura powietrza 400K. W układzie zachodzą następujące 2 reakcje: CH 4 +O 2 = HCHO+H 2 O oraz CH 4 +2O 2 =CO 2 +2H 2 O.
Stopień konwersji metanu wynosi 40%, a selektywność procesu w stosunku do dwutlenku węgla S co2 =0.25. Obliczyć skład końcowy oraz strumień ciepła wymienianego przez reaktor, jeżeli wiadomo, że temperatura końcowa produktów to 520K. 4. Strumień wody m1=100kg/min o temperaturze 8 C, jest ogrzewany poprzez mieszanie go ze strumieniem pary m2=7kg/min o entalpii h=2640kj/kg. Obliczyć temperaturę końcową mieszaniny. 5. Czas wypływu cieczy ze zbiornika jest funkcją czterech parametrów: t=f(u, ρ, μ, dp/dx). Zapisać to wyrażenie w postaci bezwymiarowej. 6. Przedstawić rozwiązanie równania transportu ciepła dla przypadku jednowymiarowego.
Ćwiczenia 25.11.2015 1. Butadien może być otrzymywany poprzez reakcję katalitycznej dehydrogenacji butenu. Do reaktora podaje się dodatkowo parę wodną w celu zatrzymania reakcji pobocznych. a. Obliczyć temperaturę pracy reaktora, aby otrzymać 30% konwersję butenu, zakładając, że reaktor pracuje pod ciśnieniem 2 bar oraz strumień wlotowy składa się z butenu i pary wodnej w stosunku 1:12. b. Jak zmieni się ta temperatura, jeżeli w strumieniu wlotowym będą równe ilości butenu i pary wodnej? ΔG 0 f, kj/mol 600K 700K 800K 900K C4H6 195,73 211,71 227,94 244,35 C4H8 150,92 178,78 206,89 235,35 2. Reakcja WGS przebiega w określonych warunkach ciśnienia i temperatury a strumień substratów doprowadzanych do reaktora zawiera jedynie CO i H 2 O. Pokazać, że największy udział molowy wodoru w produktach otrzymamy stosując stechiometryczny stosunek reagentów w strumieniu wlotowym. 3. W reaktorze panuje temperatura 550 C oraz ciśnienie 1 bar. Czy w tych warunkach istnieje zagrożenie tworzenia się sadzy w reakcji: 2CO=C+CO 2 4. Proces konwersji metanu parą wodna zachodzi wg poniższego mechanizmu w temperaturze 866K i pod ciśnieniem atmosferycznym. Wiedząc, że strumień substratów składał się z 1 kmola metanu i 5 kmol wody znaleźć skład równowagowy. Kp 1 =0.41; Kp 2 =1.09 CH 4 + H 2 O CO +3H 2 (1) CH 4 + 2H 2 O CO 2 = 4H 2 (2)