Damp/væske-likevekt (VLE) og flashberegninger Enkle separasjoner Olje/gass-separasjon offshore (flasher i serie ved ulike trykk) Destillasjon Den viktigste separasjonsprosessen for væsker! Ca. 7% av industriens energiforbruk er til destillasjon Olje-raffineri, synfuels Petro- og finkjemi Luftseparasjon Absorpsjon CO2-fjerning med aminer/vann

Damp/væske-likevekt Likevekt mellom gass (yi) og væske (xi) K-verdi (def.): Ki = yi/xi Generelt: K en funksjon av ”alt”: T, p, yi, xi K-verdi bestemmes fra Ideelt: Raoults lov og Henrys lov Ki = pisat(T)/p ; Ki = Hi(T)/p Moderat ikke-ideelt (hydrokarboner), inkl. høye trykk: K beregnes fra tilstandsligning, for eksempel SRK Ikke-ideelt (for eksempel etanol-vann) og lave trykk (< 10 bar): K fra aktivitetskoeffisienter basert på eksperimentelle data Ideell gass: Ki = i(xi) pisat(T)/ p

Damptrykk av ren komponent (B.7.1)

Raoults lov (B7.2) Partialtrykk i gassen (dampen) er definert som pi = yi p Damptrykk av ren komponent: pisat(T) Damp/væske-likevekt: Anta ideell blanding (væskefasen) + ideell gass. Partialtrykket er da: Molfraksjon væske * Damptrykk ren komponent: pi = xi pisat(T) Kombinert fås Raoults lov pi = yi p = xi pisat(T) dvs. K-verdi: Ki = yi/xi = pisat(T) / p

Henrys lov (B7.4) Fortynnede løsninger (xi < 0.03) og lave trykk (ideell gass): Henrys lov: yi p = Hi(T) xi K-verdi: Ki = yi/xi = Hi(T) / p Hi = Henrys ”konstant” : kun funksjon av T For ideell blanding er Hi = pisat Henrys lov gjelder også for superkritiske komponenter (”gasser”) som ikke har damptrykk

Flash-beregninger (kap. 2.5) Likevekt mellom gass og væske: yi = Ki xi (i=1,2,…,Nc) K-verdi Ki: gitt funksjon av p,T,xi,yi Komponentbalanser Fzi = Lxi + Vyi [mol/s] (i=1,2,…,Nc) Anta gitt føde + p og T gitt (pT-flash) 2Nc+2 ukjente: xi, yi, V, L Trenger to ligninger til: Σxi = x1 + x2 + x3 + …. = 1 Σyi = y1 + y2 + y3 + …. = 1 Har også F = L + V (men ikke uavhengig ligning) Løsning av ligningsettet Innsett likevekten i komponentbalansen: Fzi = Lxi + VKixi Innfør L=F-V og løs mhp. xi: xi = Fzi / (F-V+VKi) eller: xi = zi / [1 + V/F(Ki-1)] Nærmer seg… men V/F er ikke kjent… …kan finnes ved å bruke at Σxi = 1… eller enda bedre numerisk ved å bruke Σyi -Σxi = 0….. Gir Rachford-Rice ligningen:

Eksempel flash Kondensator/flashtank for ammoniakk-syntese Data Føde F fra reaktor (250 bar): 61.5% H2, 20.5% N2, 18% NH3 Gassen kjøles til 25C for å kondensere ut ammoniakken Oppgave: Beregn L/F, V/F og sammensetningene Data Anta gass/væske-likevekt Bruk Raoults lov for ammoniakk og Henrys lov for de to ”gass”-komponentene (på tross av det høye trykket)

Rachford-Rice Konklusjon: a = V/F = 0.85 z1=0.615, z2=0.205, z3=0.18 K1=60.8, K2=35.6, K3= 0.0393 a=0:0.01:1; rr = z1*(K1-1)./(1+a.*(K1-1)) + z2*(K2-1)./(1+a.*(K2-1)) + z3*(K3-1)./(1+a.*(K3-1)) plot(a,rr) Konklusjon: a = V/F = 0.85

Flash ammoniakk-syntese Reaktor N2+3H2 = 2NH3 1. p = 250 bar, T=298K F L V Totalt [mol] 1 0.15 0.85 H2 molfraksjon 0.615 0.0119 0.7214 N2 molfraksjon 0.205 0.0067 0.2400 NH3 molfraksjon 0.18 0.9814 0.0386 2. p = 125 bar, T=298K F L V Totalt [mol] 1 0.118 0.882 H2 molfraksjon 0.615 0.0057 0.6917 N2 molfraksjon 0.205 0.0032 0.2304 NH3 molfraksjon 0.18 0.9911 0.0779 Ammoniakk utkondensert = L x3 Case 1: 0.147 mol Case 2: 0.117 mol Case 3: 0.175 mol Konklusjon: Ønsker høyt trykk lav temperatur 2. p = 250 bar, T=248K F L V Totalt [mol] 1 0.176 0.824 H2 molfraksjon 0.615 0.0039 0.7457 N2 molfraksjon 0.205 0.0024 0.2483 NH3 molfraksjon 0.18 0.9937 0.0060 K1=192;K2=104;K3=0.00603; z1=0.615, z2=0.205, z3=0.18 a=fzero(@(a) z1*(K1-1)/(1+a*(K1-1)) + z2*(K2-1)/(1+a*(K2-1)) + z3*(K3-1)/(1+a*(K3-1)) , 0.9) x1=z1/(1+a*(K1-1)), x2=z2/(1+a*(K2-1)), x3=z3/(1+a*(K3-1)) y1=K1*x1, y2=K2*x2, y3=K3*x

Kommentar ammoniakk Haber-Bosch ca. 1920 (Nobelpriser; utkonkurrerte Hydros lysbueprosess) ”Grønn revolusjon” på 1970-tallet N2 (luft) + H2 (vann) + energi = NH3 1. Lage syntesegass (30 bar) A. Primærreformer (steam reformer) Fra metan: CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H2 Fra kull: C + 2 H2O = CO2 + 2 H2 Endoterme reaksjoner: Må tilføre mye varme B. Sekundærreformer: Tilfører luft: 2 H2 + O2 = 2H2O C. CO-konvertering: CO-> CO2 D. Fjerne CO2 (Herøya: Absorpsjon i vann) 2. Ammoniakk-syntese (250 bar) N2 + 3 H2 = 2 NH3 Ammoniakk utkondenseres og uomsatt N2 + H2 resirkuleres