Materijalni Bilans u Sistemima Para-tecnost

Materijalni bilans u sistemima para-tenost i gas/para-tenost. Destilacija. Apsorpcija.

Zadatak 1. Parni procesni tok koji predstavlja binarni sistem, o-ksilen-maleinanhidrid, slijedeih parametara:

- protok 85kmol//h - sadraj o-ksilena 73.1 mol.% - temperatura 74.5C

poji hladnjak u kome se temperatura toka smanji na 72C. Proces u hladnjaku se izvodi pri pritisku 60 mmHg. Izraunati stepen kondenzacije procesnog toka i vrijednost refluksnog odnosa destilaijske kolone. Podaci o ravnotei tenost-para u sistemu o-ksilen-maleinanhidrid pri 60 mmHg dati su u tabeli.

Temperatura kljuanja (C)

Sadraj o-ksilena (mol.%)

u tenosti (x)

u pari (y)

75.0 25.00 71.82 74.5 26.60 73.10 73.7 30.86 74.80 72.8 39.90 77.67 72.0 50.50 83.52

Rjeenje: U skladu sa tekstom bilansnog problema, moe se kreirati slijedea procesna struktura.

Procesnim tokovima su dodijeljene oznake: 1 pojni tok; 2 otekueni tok i 3 parni tok Stepen kondenzacije procesnog toka je:

Protok otekuenog toka, proizilazi iz sistema jednaina materijalnog bilansa i fazne ravnotee.

Jednaina totalnog materijalnog bilansa:

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na o-ksilen:

Za izotermu 72C se imaju sadraji o-ksilena u tenoj i parnoj fazi:

i

1

2

m

m

2m

321 mmm

)3(

13

)2(

12

)1(

11 ymxmym

5050.0)2(1x 8352.0)3(

1y

Nakon smjenjivaja vrijednosti poznatih varijabli, u sistem formiranih jednaina materijalnog bilansa, ima se:

Rjeavanjem sistema jednaina dobija se:

- protok parnog toka,

- protok tenog toka,

Stepen kondenzacije procesnog toka je:

Zadatak 2. Ispariva koji se eksploatie pri pritisku 2.5 bar, poji teni binarni sistem propilen oksid metanol slijedeih parametara:

- protok 200 kmol/h - sadraj propilen oksida 1.5 mol.% - temperatura 23C

Ako sistem u isparivau kljua na 89C, utvrditi parametre parnog i tenog toka koji naputaju ispariva. Naponi para propilen oksida i metanola, dati su relacijama:

87.64)K(

58.21077025.8)bar(ln

TpPO

29.34)K(

55.36269673.11)bar(ln

TpMeOH

Rjeenje: Na osnovu teksta bilansnog problema moe se kreirati slijedea procesna struktura

Procesnim tokovima dodijeljene su oznake: 1 - pojni tok; 2 teni tok i 3 parni tok Protoci tokova koji naputaju ispariva odreeni su materijalnim bilansom.

3285 mm

8352.0505.0731.085 32 mm

kmol/h17.583m

kmol/h82.262m

3155.085

82.26

1

2

m

m

Jednaina totalnog materijalnog bilansa

321 mmm

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na propilen oksid )3(

3

)2(

2

)1(

1 POPOPO ymxmxm

Parni i teni procesni tok, koji naputaju ispariva, su ravnoteni i za sluaj da vrijedi Raoult-ov zakon mogu se napisati slijedee relacije: Konstanta fazne ravnotee komponenti data je relacijom:

)2(

)3(

i

ii

x

yk

iz Raoult-ovog zakona proizilazi:

uk

ii

P

pk

*

Ravnotena napetost propilen oksida, u funkciji temperature, data je Antoine-ovom relacijom:

bar0176.587.64)8915.273(58.2107

7025.8* epPO

Ravnotena napetost metanola na temperaturi kljuanja sistema je:

bar4745.229.34)8915.273(55.3626

9673.11* epMeOH

Konstante fazne ravnotee, propilen oksida i metanola, za uslove u isparivau su:

007.25.2

0176.5POk ; 9898.0

5.2

4745.2MeOHk

Konstante fazne ravnotee komponenti, mogu se izraziti kao:

)2(

)3(

PO

PO

POx

yk ;

)2(

)3(

1

1

PO

PO

MeOHx

yk

Lako je, dozvoljenim operacijama nad sistemom jednaina, doi do sadraja propilen oksida u tenom i parnom toku isparivaa:

3)2( 10041.109898.00007.2

9898.011

MeOHPO

MeOH

POkk

kx

23)2()3( 10015.21004.10007.2POPOPO xky

Nakon smjenjivanja vrijednosti poznatih varijabli, u sistem jednaina materijalnog bilansa, dobija se:

32200 mm 2

3

3

2 10015.210041.10015.0200 mm

Simultanim rjeavanjem sistema jednaina materijalnog bilansa dobija se vrijednost protoka tenog i parnog toka na izlazu iz isparivaa:

protok tenog toka, kmol/h89.1012m

protok parnog toka, kmol/h11.983m

Zadatak 3. U apsorpcionoj koloni se izvodi apsorpcija amonijaka, iz njegove smjese sa zrakom, vodom.

Sadraj amonijaka, u toku koji poji kolonu iznosi 5.0 mol.% a na izlazu iz kolone sadraj iznosi 0.27 mol.%. Tok vode, na ulazu u kolonu, sadri 0.2 mas.% amonijaka a sadraj amonijaka u tenm toku na izlazu iz kolone je 85 % od ravnotenog. Apsorpcija se izvodi pri 20C i 740 mm Hg. Utvrditi elemente materijalnog bilansa za protok gasnog toka, ispred kolone, od 10000 m

3/h.

Ravnotena topivost amonijaka u vodi data je u slijedeoj tabeli:

X Y*

2.1210-3 1.5310-3 5.310-3 4.2510-3

1.0610-2 9.710-3

1.5910-2 1.6510-2

2.1210-2 2.510-2

2. 6510-2 3.610-2 3.1810-2 4.8510-2

3.710-2 6.310-2

Rjeenje: U skladu sa tekstom bilansnog problema moe se kreirati slijedea procesna struktura

Procesnim tokovima dodijeljene su slijedee oznake: 1 gasni tok na ulazu u kolonu; 2 gasni tok na izlazu iz kolone; 3 tok vode na ulazu u kolonu i 4 tok vode na izlazu iz kolone Jednaine materijalnog bilansa u odnosu na gasni tok Jednaina totalnog materijalnog bilansa

21 3 mmm NH

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na amonijak

)2(2)1(

1 333 NHNHNHymmym

Molski protok pojnog toka:

kmol/h73.404)15.27320(8314

100003.1337451m

Nakon smjenjivanja vrijednosti poznantih varijabli u sistem jednaina materijalnog bilansa ima se:

2373.404 mmNH

0027.005.073.404 23 mmNH

Rjeavanjem sistema jednaina ima se:

koliina apsorbovanog amonijaka, kmol/h2.193NH

m

protok gasnog toka na izlazu iz kolone, kmol/h53.3852m

Relativni molski sadraj amonijaka u pojnom toku

05263.005.01

05.0)1(3NH

Y

Za uslove ravnotee molski udio amonijaka u pojnom toku, jednal je ravnotenom:

33

)1(

NHNH YY

Iz tabele za ravnotenu topivost amonijaka u vodi ,slijedi da je:

21033.33NH

X

Ravnoteni molski udio amonijaka u tenom toku dna kolone

2)4(* 10223.30333.01

0333.03NH

x

Stvarni udio amonijaka je 85 % od ravnotenog

22)4( 10739.210223.385.0

3NHx

Protok vode proizilazi iz relacija materijalnog bilansa sa strane tenog toka Jednaina totalnog bilansa

43 3 mmm NH

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na amonijak

)4(4)3(

3 333 NHNHNHxmmxm

Molski udio amonijaka u apsorpcionoj vodi

3)3( 1012.2

18

00021

17

002.017

002.0

3NHx

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli u sustem jednaina ima se:

43 2.19 mm

02739.02.191012.2 43

3 mm

Rjeavanjem sistema relacija ima se:

protok apsorpcionog sredstva, kmol/h98.7383m

Zadatak 4. U apsorpcionoj koloni izvodi se izdvajanje para metil alkohola iz smjee sa inertom pri 27C i 745 mm Hg. Apsorpciono sredstvo je voda koja na ulazu u procesnu jedinicu ne sadri metanol. Protok inerta, u gasnom toku, ispred apsorpcione kolone je 1200 m

3/h sa sadrajem metanolnih para od 100 g/(m3 inerta). U apsorpcionoj koloni se separira 98.0 % od prisutnog metanola u pojnom toku. Ako je sadraj metanola u toku apsorpcionog sredstva, na izlazu iz kolone, 67.0 % od ravnotenog utvrditi zahtijevani protok apsorpcionog sredstva. Relacija koja opisuje topivost metanola u vodi, u relativnim molskim sadrajima, je:

XY 15.1

Rjeenje: U skladu sa tekstom bilansnog problema moe se kreirati slijedea procesna struktura

Protok apsorpcionog sredstva proizilazi iz relacija materijalnog bilansa procesne jedinice.

Procesnim tokovima dodijeljene su slijedee oznake: 1 gasni tok na ulazu u kolonu; 2 gasni tok na izlazu iz kolone; 3 tok vode na ulazu u kolonu i 4 tok vode na izlazu iz kolone

Jednaine materijalnog bilansa u odnosu na gasni tok Jednaina totalnog materijalnog bilansa

21 mmm MeOH

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na metanol

)2(

2

)1(

1 MeOHMeOHMeOH ymmym

Koliina izdvojenog metanola

)1(

198.0 MeOHMeOH ymm

Protok inerta na ulazu u kolonu

kmol/h755.47)15.27327(8314

12003.133745)1(inertam

Protok metanola u pojnom toku:

kmol/h75.3321000

1200100)1(MeOHm

Protok pojnog toka iznosi:

kmol/h51.5175.3755.47)1()1(

1 MeOHinerta mmm

Molski udio metanola u gasnom toku:

0728.051.51

75.3

1

)1(

)1(

m

my MeOHMeOH

Nakon smjenjivanja vrijednosti poznantih varijabli u sistem jednaina materijalnog bilansa ima se:

251.51 mmMeOH

)2(

20728.051.51 MeOHMeOH ymm

0728.051.5198.0MeOHm


koliina apsorbovanog metanola, kmol/h675.3MeOHm

protok gasnog toka na izlazu iz apsorpcione kolone, kmol/h835.472m

molski udio metanola u gasu na izlazu iz kolone, 3)2( 10568.1MeOHy

Jednaine bilansa u odnosu na tenu fazu Jednaina totalnog materijalnog bilansa

43 mmm MeOH

Jednaima materijalnog bilansa u odnosu na metanol

)4(

4 MeOHMeOH xmm

Sadraj metanola u tenom toku na izlazu iz kolone

)4()4( 67.0 MeOHMeOH xx

Ravnoteni sadraj metanola u tenom toku, proizilazi iz relacije koja opisuje topivost metanola u vodi:

15.115.1

)1(

)4( MeOH

MeOH

YYX

Relativni molski sadraj metanola u pojnom toku

0785.0755.47

75.3)1(

)1(

)1(

in

MeOH

MeOHm

mY

0683.015.1

0785.0)4(MeOHX

Sadraj metanola u tenom toku na izlazu iz kolone:

04283.00683.01

0683.067.067.0 )4()4( MeOHMeOH xx

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli ima se:

43 675.3 mm

04283.0675.3 4m


protok vode na ulazu u kolonu, kmol/h125.823m

protok vode na izlazu iz kolone, kmol/h80.854m

ZADACI ZA VJEBU

VJ1. Destilacijsku kolonu, za separaciju sistema maleinanhidrido-ksilen, naputa parni tok slijedeih parametara:

- protok 115 kmol/h - sadraj o-ksilena je ravnoteni pri temperaturi 80.2C.

Parni tok se vodi u parcijalni kondenzator u kome se odrava temperatura od 72 C. Dvofazni tok se, na izlazu iz kondenzatora, separira na teni tok i parni tok destilata. Utvrditi vrijednost elemente materijalnog bilansa kondenzatora. Podaci o ravnotei tenost-para u sistemu maleinanhidrido-ksilen pri pritisku u kondenzatoru dati su u tabeli.

Temperatura kljuanja

(C)

Sadraj o-ksilena (mol.%)

u tenosti (x)

u pari (y)

87.4 7.44 56.39

80.2 11.70 64.90

74.5 26.60 73.10

72.8 39.90 77.67

72.0 50.50 83.52

71.6 59.00 86.19

VJ2. Utvrditi elemente materijalnog bilansa, destilacionog ureaja, uz slijedee polazne podatke: - procesni tok koji predstavlja sistem etialacetat-toluen sa protokom 12000 kg/h, se uvodi u destiler

sa sadrajem etilacetata 40 mol.% - parni tok koji se izvodi sa vrha destilera sadri 95.0 mol.% etilacetata - teni tok sa dna kolone, sadri 1.8 mol.% etilacetata

Molekulske mase etilacetata i toluena iznose 88.1 odnosno 92.14 g/mol.

VJ3. Parcijalni ispariva poji teni binarni sistem o-DCB-TDI sa slijedeih parametara: - protok 123 kmol/h - sadraj o-DCB 0.3 mol. udjela - pritisak, 0.2 bar

Ako se proces u isprivau izvodi pri P=const. i temperaturi 170C utvrditi sadraj sadraj parne i tene faze na izlazu iz isparivaa Napon para o-dihlorbenzena odnosno toluendiizocijanata, u zavisnosti od temperature dat je relacijama:

84.59

23.37986597.9(bar)ln *

Tp DCBo

41.58

69.48583639.10(bar)ln *

TpTDI

VJ4. U isparivau, pri pritisku 760 mmHg, kljua sistem alilhlorid-siretna kiselina. Za sadraj alilhlorida u parnom toku 80.0 mol.% procesnu jedinicu naputa 20 kmol/h parnog i 64 kmol/h tenog toka. Utvrditi sadraj alilhlorida u pojnom toku. Ravnotea u sistemu alilhlorid-siretna kiselina data je u tabeli

Temperatura, C Sadraj alilhlorida, mol.udio

Para (y) Tenost (x)

46.1 0.991 0.93

51.5 0.960 0.675

57.5 0.930 0.500

70.1 0.870 0.340

76.0 0.80 0.260

95.6 0.565 0.1

Materijalni bilans procesa koncentriranja i kristalizacije

Zadatak 1. Procesni tok koji predstavlja sistem NH4Cl-H2O koncentrira se, do stanja zasienja, u dva redno vezana isparivaa. Utvrditi elemente materijalnog bilansa procesnog sistema za sluaj da se u prvom isparivau ispari 40 % od koliine vode koju je potrebno ispariti do postizanja zasienja. Temperature kljuanja sistema u isparivaima su 100 odnosno 80C. Procesni tok poji prvi ispariva sa parametrima

- protok 12000 kg/h - sadraj soli 18.0 mas.% i - temperatura 35C

Topivost NH4Cl pri 100 i 80C iznosi 77.3 odnosno 65.6 g/(100 g H2O).

Rjeenje: Na osnovu teksta bilansnog problema moe se kreirati slijedea procesna struktura:

Procesnim tokovima su dodijeljene oznake: 1 pojni tok; 2 isparena voda u I stepenu; 3 koncentrirani tok na izlazu iz I stepena; 4 tok zasiene otopine i 5 generisana vodena para II stepena.

Jednaina totalnog materijalnog bilansa procesnog sistema

4521 mmmm

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na amonijum hlorid

)4(4)1(

1 44 ClNHClNHcmcm

Ogranienje na funkcionisanje sistema, u odnosu na isparenu vodu

)(4.0 522 mmm

Kako je otopina na izlazu iz sistema zasiena, na 80C udio amonijum hlorida je:

3961.0

6.65100

6.65)4(4ClNH

c

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli u sistem jednaina totalnog bilansa dobije se:

45212000 mmm

3961.018.012000 4m

)(4.0 522 mmm

Rjeavanjem sistema jednaina dobija se:

protok zasiene otopine, kg/h17.54534m

koliina isparene vode u prvom stepenu, kg/h73.26182m

koliina isparene vode u drugom stepenu, kg/h1.39285m

Do parametara toka (3) dolazimo rjeavanjem sistema jednaina materijalnog bilansa prvog isparivakog stepena. Jednaina totalnog materijalnog bilansa

321 mmm Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na amonijum hlorid

)3(3)1(

1 44 ClNHClNHcmcm

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli dobije se:

373.261812000 m

)3(

3 418.012000 ClNHcm

Protok koncentriranog toka na izlazu iz prvog isparivakog stepena:

kg/h27.938173.2618120003m

Udio amonijum hlorida u toku koncentrirane otopine na izlazu iz prvog stepena:

2302.027.9381

18.012000)3(4ClNH

c

Zadatak 2. Izotermski ispariva, koji se eksploatie pri 85C, poji procesni tok koji predstavlja binarni sistem KCl-H2O slijedeih parametara:

protok 10 t/h

sadraj KCl 20.0 mas.%. pri emu se generie 3.5 t/h sekundarne pare. Da li dolazi do kristalizacije KCl, i ukoliko nastaju kristali koliki je udio kristala u procesnom toku?

Ravnotena topivost KCl (mas.udio), u sistemu KCl-H2O, u funkciji temperature (C) data je relacijom:


Fazno stanje e se utvrditi na osnovu injenice da, ako je sadraj KCl u koncentriranom toku vei od topivost soli na temperaturi u procesnoj jedinici, proizilazi da je doko do kristalizacije KCl. Sadraj soli u koncentriranom toku proizilazi iz relacija materijalnog bilansa. Jednaina totalnog materijalnog bilansa

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na KCl

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli ima se:

Rjeavanjem sistema jednaina se dobije:

protok koncentriranog toka,

sadraj soli u koncentriranom toku,

Temperaturi u procesnoj jedinici odgovara ravnoteni sadraj KCl:

Kako je proizilazi da u procesnoj jedinici ne dolazi do kristalizacije soli.

38263 10336.3101678.9100367.221685.0 tttcKCl

321 mmm

)2(

2

)1(

1 KClKCl cmcm

350010000 2m

)2(220.010000 KClcm

/hk65003500100002 gm

0.30776500

20.010000)2(KClc

38263 )85(10336.3)85(101678.985100367.221685.0KClc

0.3442KClc

KClKCl cc)2(

Zadatak 3. Otpadni tok predstavlja vodenu otopinu sa 42.0 mas.% amonijum sulfata. Separacija

amonijum sulfata izvodi se izotermskom kristalizacijom, pri 100C, isparavanjem dijela prisutne vode. Kristalizator poji 4200 kg/h otpadnog toka, a u procesu se ispari 90 % od prisutne koliine vode u pojnom toku. Utvrditi kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt i koliinu amonijum sulfata koja se izvede sa tokom matine otopine. Matina otopina suspenzije sadri 103.3 g (NH4)2SO4/(100 g H2O)


Kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt, proizilazi iz sistema relacija materijalnog bilansa

kristalizatora.

Jednaina totalnog materijalnog bilansa

321 mmm

Kako je naglaeno u tekstu bilansnog problema koliina isparene vode iznosi 90 % od vode uvedene u sistem sa amonijum sulfatom

kg/h2192.4)42.01(42009.09.0)1(

12 wcmm

Pa slijedi da je protok suspenzije

kg/h2007.64.219242003m

Iz jednaine materijalnog bilansa u odnosu na sulfat

)3(

)(3

)1(

)(1 424424 SONHSONHcmcm

Proizilazi sadraj amonijum sulfata u toku produkcione suspenzije kristalizatora

8787.06.2007

42.04200)3()( 424 SONH

c

Sadraj amonijum sulfata u toku produkcione suspenzije kristalizatora je

424424 )(

)3(

)( )1( SONHkrkrSONH cc

iz ega prizilazi udio kristala amonijum sulfata u toku suspenzije

7534.0

5081.01

5081.08787.0

1424

424424

)(

)(

)3(

)(

SONH

SONHSONH

krc

cc

Koliina kristalnog produkta je:

kg/h1512.57534.06.20073 krkr mm

Koliina matine otopine je:

kg/h495.1)7534.01(6.2007)1(3 krmo mm

Zadatak 4. Procesni tok koji predstavlja zasieni binarni sistem MgSO4-H2O, pri 80C, se hladi na 30C u kristalizatoru sa kontaktnom povrinom. Utvrditi protok pojnog toka za kapacitet kristalizatora od 1000 kg/h MgSO47H2O. Topivost MgSO4 na 30C i 80C iznosi 40.8 odnosno 64.2 g/(100 g H2O).


Protok pojnog toka proizilazi iz sistema jednaina materijalnog bilansa procesne jedinice. Jednaina totalnog materijalnog bilansa:

izul mm

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na magnezijum sulfat:

)()(44

iz

MgSOiz

ul

MgSOul cmcm Sadraj magnezijum sulfata u toku produkcione suspenzije:

)30()()(

444)1( MgSOkr

kr

MgSOkr

iz

MgSO ccc Produkcija kristalizatora u odnosu na kristalni produkt je:

kriziz

kr mm)(

Sadraj magnezijum sulfata u pojnom toku je:

391.01002.64

2.64)(4

ul

MgSOc

Sadraj magnezijum sulfata u matinoj otopini produkcione suspenzije je:

2898.01008.40

8.40)30(4

C

MgSOc

Sadraj magnezijum sulfata u kristalohidratu je:

4884.0

3.246

3.120

24

4

4

7

)(

OHMgSO

MgSOkr

MgSOM

Mc

Smjenjivanjem vrijednosti poznatih varijabli u sistem jednaina materijalnog bilansa dobije se:

)(

4391.0 izMgSOizul cmm

2898.0)1(4884.0)(

4 krkr

iz

MgSOc

krizm1000

Kako je

izulmm

slijedi da je:

391.0)(4

iz

MgSOc

Udio kristala u toku produkcione suspenzije je:

5095.0kr

Protok pojnog toka kristalizatora iznosi:

kg/h7.19625095.0

1000ulm

Zadatak 5. Procesnu jedinicu kristalizator sa kontaktnom povrinom poji binarni sistem BaBr2 H2O slijedeih parametara:

protok 1000 kg/h

sadraj soli 15.0 mas.%

temperatura 30C Ako se temperatura u kristalizatoru odrava na -20C utvrditi kapacitet kristalizatora po kristalnom produktu i sadraj kristala u toku produkcione suspenzije kristalizatora. Ravnotea u sistemu BaBr2 H2O data je u tabeli

Temperatura,

C Sadraj soli,

mas.% Kruta faza

-1.23 7.0 led

-2.31 12.04 led -5.30 21.8 led

-9.02 29.94 led

-19.03 42.71 led

-22.60 46.6 led+BaBr2H2O 25 50.0 BaBr2H2O 35 50.9 BaBr2H2O 75 54.7 BaBr2H2O

110.0 58.3 BaBr2H2O 120.0 59.4 BaBr2H2O 130.0 59.9 BaBr2H2O

Rjeenje: S obzirom na parametre binarnog sistema i ravnoteu u sistemu proizilazi da pri hlaenju sistema dolazi do kristalizacije leda.

Na osnovu teksta bilansog problema moe se kreirati slijedea procesna struktura

1 pojni tok kristalizatora; 2 tok produkcione suspenzije kristalizatora Kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt:

Sadraj soli u produkcionoj suspenziji je:

Sadraj soli u matinoj otopini kristalizatora:

Sadraj kristala leda u produkcionoj suspenziji kristalizatora:

KRKRKR mmm 12

1

)2(

1

)1(

1 )1( ccc KR

4357.0)C20(1 cc

6557.04357.0

15.011

1

)1(

1

c

cKR

Kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt:

Zadatak 6. Vakuum kristalizator poji procesni tok, koji predstavlja sistem Na2SO4- K2SO4-H2O,

slijedeih parametara: protok 3357 kg/h

sadraj Na2SO4 30.59 mas.% sadraj K2SO4 1.62 mas.%

U kristalizatoru, uz isparavanje 455 kg/h vode, kristalizira natrijum sulfat dekahidrat (Na2SO410H2O). Ako je sadraj natrijum sulfata, u matinoj otopini kristalizatora, 7.9 mas.% utvrditi sadraj kristala u toku produkcione suspenzije kristalizatora i kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt.


1 pojni tok; 2 tok kristalnog produkta; 3 tok matine otopine; 4 tok isparene vode

Do vrijednosti kapaciteta kristalizatora u odnosu na kristalni produkt dolazimo rjeavajui sistem relacija materijalnog bilansa vakuum kristalizatora.

Jednaina totalnog materijalnog bilansa kristalizatora

4321 mmmm

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na natrijum sulfat

)3(3)2(

2

)1(

1 424242 SONaSONaSONacmcmcm

Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na kalijum sulfat

)3(3)1(

1 4242 SOKSOKcmcm

Kako je tok kristalnog produkta kristalohidrat sa deset molekula vode udio natrijum sulfata u toku

kristalnog produkta je:

441.0322

142

)10(

)()2(

242

42

42

OHSONa

SONa

SONaM

Mc

kg/h7.6556557.01000KRm

Smjenom vrijednosti poznatih varijabli u sistem jednaina materijalnog bilansa dobija se:

4553357 32 mm

079.0441.03059.03357 32 mm

)3(3 420162.03357 SOKcm

Rjeavanjem sistema jednaina materijalnog bilansa dobije se:

koliina kristalnog produkta, kg/h45.22032m

koliina matine otopine, kg/h552.6983m

udio kalijum sulfata u rmatinoj otopini, 07785.0)3(42SOK

c

ZADACI ZA VJEBU

VJ1. Topivost natrijum bikarbonata u vodi na 20C i 60C, iznosi 9.6 g/100g H2O, odnosno 16.4 g/100g H2O. Procesni tok otopine, zasiene na 60C, vodi se u kristalizator sa kontaktnom povrinom, u kome, na 20C, dolazi do kristalizacije soli. Koliki e procenat soli, u odnosu na so prisutnu u pojnom toku, kristalizirati u procesnoj jedinici?

VJ2. Kristalizator, hlaen preko kontaktne povrine, poji procesni tok 71.0 % vodene otopine limunske kiseline. Ako se u kristalizatoru odrava temperatura 10C utvrditi sadraj kristala u toku produkcione suspenzije kristalizatora. Pri temperaturama t < 36.6C limunska kiselina kristalizira kao monohidrat. Molekulska masa limunske kiseline je 192.13 kg/kmol, a ravnotena topivost kiseline na 10C iznosi 54.00 mas.% VJ3. U kristalizatoru sa hlaenjem preko kontaktne povrine izvodi se kristalizacija limunske kiseline. Kristalizator poji procesni tok koji je vodena otopina limunske kiseline slijedeih parametara:

- protok 4000 kg/h - sadraj kiseline 163.15 g/(100 g H2O) - temperatura 40C

Ako se u kristalizatoru odrava temperatura od 5C utvrditi koliinu iskristalizirane monohidratne limunske kiseline.Topivost kiseline na 5C je 51.5 mas.%. Molekulska masa limunske kiseline je 192 g/mol.

VJ4. Vakum kristalizator poji 4500 kg/h vodene otopine KOH sa sadrajem soli 50 mas.%, u kome se otopina hladi na 0C uz isparavanje dijela prisutne vode i kristalizaciju KOH2H2O. Koliko vode ispari, u kristalizatoru, za sluaj da iskristalizira 65 % od koliine KOH prisutne u pojnom toku. Topivost KOH, na 0C, iznosi 97 g/(100g H2O). VJ5. Koncentriranje vodene otopine NH4Cl odvija se u dva redno vezana isparivaa/koncentratora. Pojni tok sistema poji prvi isparivaa sa parametrima:

- protok 15 t/h

- sadraj soli 20 mas.%

- temperatura 50C Temperature kljuanja otopina u isparivakim stepenima iznose 80 odnosno 60C. Ako se u prvom isparivakom stepenu ispari 15 % vie vode u odnosu na drugi isparivaki stepen utvrditi elemente materijalnog bilansa procesnog sistema. Topivost amonijum hlorida u funkciji temperature data je u tabeli

Temperatura,C 10 30 40 60 80

g/(100g H2O) 33.4 41.4 45.8 55.2 65.6 VJ6. Zasiena otopina amonijum hlorida na 60C, poji kristalizator sa hlaenjem preko kontaktne povrine sa protokom 1000 kg/h. Ako se u kristalizatoru odrava temperaura od 10C utvrditi sadraj kristala NH4Cl u toku suspenzije kristalizatora. Topivost NH4Cl je data u tabeli zadatka VJ5. VJ7. Otpadni tok predstavlja vodenu otopinu sa 40.0 mas.% amonijum sulfata u koliini od 4450 kg/h. Separacija amonijum sulfata izvodi se izotermskom kristalizacijom, pri 100C, isparavanjem dijela prisutne vode. Ako je sadraj kristala u suspenziji 70 mas.% utvrditi koliinu vode koju je potrebno ispariti u procesu. Matina otopina suspenzije sadri 103.3 g (NH4)2SO4/(100 g H2O)

VJ8. Kristalizacija limunske kiseline, iz njene vodene otopine, izvodi se u procesu u iju strukturu ulazi izotermski ispariva i kristalizator hlaen preko kontantne povrine.

Ako se u isparivau sistem dovodi do stanja zasienja utvrditi kapacitet kristalizatora, u odnosu na limunsku kiselinu, i sadraj kristala u produkcionom toku suspenzije kristalizatora. Topivost limunske kiseline pri 10 i 90C iznosi 54.0 odnosno 81.4 mas.%. Limunska kiselina kristalizira na 1 molekulom vode a mekulska masa bezvodne kiseline je 192.13 kg/kmol.

VJ9. Procesni tok koji predstavlja sistem C6H12O6 H2O, sa parametrima:

- protok 500 kg/h - sadraj glukoze od 40 mas.%, - temperatura 80C

podvrgava hlaenju preko kontaktne povrine do 0C. Da li u procesnoj jedinici kristalizira glukoza? Topivost glukoze u vodi, na 0C, iznosi 50 g/(100 g H2O). Ukoliko dolazi do kristalizacije glukoze utvrditi elemente bilansa (glukoza kristalizira kao monohidrat).

VJ10. Otpadni tok predstavlja vodenu otopinu sa 45.0 mas.% amonijum sulfata. Separacija amonijum

sulfata izvodi se izotermskom kristalizacijom, pri 100C, isparavanjem dijela prisutne vode. Kristalizator poji 1.167 kg/s otpadnog toka, a u procesu se ispari 90 % od prisutne koliine vode u pojnom toku. Utvrditi kapacitet kristalizatora u odnosu na kristalni produkt i koliinu amonijum sulfata (kg/h) koja se izvede sa tokom matine otopine. Matina otopina suspenzije sadri 1.033 kg (NH4)2SO4/(kg H2O).

Documents

Materijalni Bilans u Sistemima Para-tecnost