IEK 213 MASS TRANSFER AND SEPARATION PROCESSES [PROSES PEMINDAHAN JISIM DAN PROSES PEMISAHAN]

Transcription

1 UNIERSITI SAINS MALAYSIA Second Semeter Examination 2010/2011 Academic Seion April/May 2011 IEK 213 MASS TRANSFER AND SEPARATION PROCESSES [PROSES PEMINDAHAN JISIM DAN PROSES PEMISAHAN] Duration: 3 hour Maa: [3 jam] Pleae check that thi examination paper conit of FOURTEEN page of printed material before you begin the examination. [Sila patikan bahawa kerta peperikaan ini mengandungi EMPATBELAS muka urat yang bercetak ebelum anda memulakan peperikaan ini.] Intruction: Anwer FIE quetion. You may anwer the quetion either in Bahaa Malayia or in Englih. [Arahan: Jawab LIMA oalan. Anda dibenarkan menjawab oalan ama ada dalam Bahaa Malayia atau Bahaa Inggeri.] In the event of any dicrepancie, the Englih verion hall be ued. [Sekiranya terdapat ebarang percanggahan pada oalan peperikaan, veri Bahaa Inggeri hendaklah diguna pakai.] 2/-

2 - 2 - Anwer any FIE quetion 1. Anwer any TWO of the following: (a) An air-water gaeou mixture at 55 o C ha a wet-bulb temperature of 30 o C. From the pychrometric chart provided,determine i) humidity ii) molar humidity iii) percentage humidity iv) aturation humidity v) dew point vi) humid heat vii) humid volume viii) total enthalpy (50 mark) (b) Dicu about packing and packed tower ued in ga aborption procee. (50 mark) (c) Give brief account of i) Type of adorption iotherm ii) Langmuir iotherm: q e = q max k L C e /(1 + k L C e ) iii) Freundlich iotherm: q e = k F C e 1/n iv) Breakthrough curve v) Peudo-firt and peudo-econd order kinetic model: ln (q e q t ) = ln q e k 1 t t/q t = 1/(k 2 q e 2 ) + t/q e (50 mark) 2. The ga CO 2 i diffuing at teady tate through a tube 0.20 m long having a diameter of 0.01 m and containing N 2 (non-diffuing) at 298 K. The total preure i contant at kpa. The partial preure of CO 2 at one end i 456 mm Hg and 76 mm Hg at the other end. The diffuivity D AB i 1.67 x 10-5 m 2 / at 298 K. Calculate the flux of CO 2 through N 2. (a) 1 atm = 760 mm Hg, R = 8,314 N.m/kmol.K N A = p t D AB (p A1 p A2 )/(RTzp B,m ) (40 mark) 3/-

3 - 3 - (b) A dilute lurry contain mall olid food particle having a diameter of 0.05 mm which are to be removed by centrifugation. The olid denity i 1050 kg/m 3 and the liquid denity i 1000 kg/m 3. The vicoity of the liquid i 1.2 x 10-3 Pa.. A centrifuge rotating at 3000 rpm i to be ued. The bowl dimenion are b = mm, r 1 = 5.00 mm, and r 2 = 10.0 mm. Calculate the expected flow rate in m 3 / jut to remove thee particle. Given the reidence time t t = 18 ln(r 2 /r 1 )/[ 2 D 2 p ( p - )] (60 mark) 3. A aturated liquid feed of 200 mol/h at the boiling point containing 42 mol% heptane and 58 % ethyl benzene i to be fractionated at kpa to give a ditillate containing 97 mol% heptane and a bottom containing 1.1 mol% heptane. The reflux ratio ued i 2.5. Equilibrium data of the ytem are given below. (a) Calculate the mol/h of the ditillate and bottom. (b) Determine uing McCabe-Thiele graphical method the theoretical number of tray and the feed tray number. x H y H y n+1 = R D x F /(R D + 1) + x D /(R D + 1) y = -qx/(1 q) + x F /(1 q) (100 mark) 4. A mixture of 40 mol% benzene with toluene i ditilled in a column to give a ditillate of 95 mol% benzene and a bottom of 5 mol% benzene. The feed i upplied to the column a liquid at it boiling point. Equilibrium data of the ytem are given below. (a) Determine the minimum number of plate; (b) Determine the minimum reflux ratio; (c) If the reflux ratio i 4.0, determine the number of plate required and the poition of the feed uing McCabe-Thiele method. x b y b (100 mark) 4/-

4 (a) For filtration through a clean filter cloth, the flowrate can be related proportionally to the preure drop acro the cloth and the face area of the cloth. The flowrate i alo inverely proportional to the thickne of the cloth. Derive the general filtration equaiton that can ued graphically to calculate the pecific cake reitance and the medium reitance when the cloth i filtering a upenion in a plate and frame filter pre. Aume contant preure filtration and the cake i incompreible. (40 mark) (b) The equation derived in 5(a) ha to be modified ince the operating preure ha to be increaed gradually until a truly contant preure period i achieved. The new equation take the form: t t C( 2A 2 P ) Rm A P where t and are the actual tarting time and tarting volume repectively for contant preure filtration. (All ymbol repreent the typical parameter for contant preure filtration). Filtration tet were carried out with a plate and frame filter pre under the following condition: Solid: ρ = 2710 kg/m 3 Liquid: water at 20 o C μ = N/m 2 Supenion: concentration = 10 kg/m 3 Filter: plate and frame pre, 1 frame, dimenion 430 x 430 x 30 mm (the actual cake thickne can be bigger by 5 mm becaue of a rece in the plate). 5/-

5 - 5 Data for the filtration experiment Table 1: Data from filtration experiment 10-5 Δp, N m -2 t,, m The frame wa full of cake at = 0.56m 3 Ue the information given to determien the pecific cake reitance and the medium reitance. (60 mark) 6. (a) Drying of different olid will often how in general two major part of the drying rate curve, i.e. the contant-rate period and the falling-rate period. In relation to the drying proce explain briefly regarding i) the contant-rate period ii) the falling-rate period iii) the free moiture content iv) the critical free moiture content (20 mark) 6/-

6 - 6 (b) The drying rate, R, can be calculated uing the following equation R = L A dx dt where R i the drying rate (kg H 2 O/h.m 2 ) L weight of dry olid (kg) A expoed urface area for drying (m 2 ) Ue thi equation to derive an equation for calculating the time of drying for a contant rate period. (20 mark) (c) A batch of wet olid whoe drying rate curve are hown in Appendix 1, i to be dried from a free moiture content of X 1 = 0.38 kg H 2 O/kg dry olid to X 2 = 0.04 kg H 2 O/kg dry olid. The weight of the dry olid i L = 399 kg and urface area for drying i 18.58m 2. Calculate the drying time. (60 mark) 7/-

7 - 7 - Jawab ebarang LIMA oalan. 1. Jawab ebarang DUA oalan di bawah: (a) Satu campuran ga udara-air pada 55 o C mempunyai uhu bebuli baah 30 o C. Dengan menggunakan carta ikrometrik yang diberi, tentukan i) kelembapan ii) kelembapan molar iii) kelembapan peratuan iv) kelembapan tepu v) takat embun vi) haba lembab vii) iipadu lembab viii) entalpi total (50 markah) (b) Bincangkan konep pengala dan menara berii yang digunakan dalam proe penyerapan ga. (50 markah) (c) Huraikan i) jeni ioterm penjerapan ii) ioterm Langmuir: q e = q max k L C e /(1 + k L C e ) iii) ioterm Freundlich: q e = k F C e 1/n iv) lengkung bulu v) model kinetik tertib peudo-pertama dan tertib peudo-kedua ln (q e q t ) = ln q e k 1 t t/q t = 1/(k 2 q e 2 ) + t/q e (50 markah) 2. (a) Ga CO 2 mereap pada keadaan mantap menerui atu tiub yang mempunyai panjang 0.20 m dan diameter 0.01 m yang mengandungi N 2 (tidak mereap) pada 298 K. Jumlah tekanan ialah malar pada kpa. Tekanan epara bagi CO 2 di atu hujung ialah 456 mm Hg dan 76 mm Hg di hujung yang lain. Kereapan D AB ialah 1.67 x 10-5 m 2 / pada 298 K. Hitungkan fluk CO 2 menerui N 2. 1 atm = 760 mm Hg, R = 8,314 N.m/kmol.K N A = p t D AB (p A1 p A2 )/(RTzp B,m ) (40 markah) 8/-

8 - 8 - (b) Satu buburan cair mengandungi zarah makanan pepejal kecil yang mempunyai diameter 0.05 mm. Zarah pepejal terebut akan dipecatkan melalui pengemparan. Ketumpatan pepejal ialah 1050 kg/m 3 dan ketumpatan cecair ialah 1000 kg/m 3. Kelikatan cecair ialah 1.2 x 10-3 Pa.. Satu alat pengempar yang memutar pada 3000 rpm akan digunakan. Ukuran pengempar ialah b = mm, r 1 = 5.00 mm, dan r 2 = 10.0 mm. Hitungkan kadar aliran dijangkakan, dalam unit m 3 /, untuk memecatkan zarah-zarah terebut. Diberi maa matautinan: t t = 18 ln(r 2 /r 1 )/[ 2 D 2 p ( p - )] (60 markah) 3. Satu uap cecair tepu pada 200 mol/h dan takat didih yang mengandungi 42 mol% heptana dan 58% benzena akan diulungkan pada kpa.untuk mengeluarkan hail ata yang mengandungi 97 mol% heptana dan hail bawah yang mengandungi 1.1 mol% heptana. Nibak refluk ialah 2.5. Data keeimbangan adalah diberi di bawah. (a) Hitungkan kadar hail ata dan hail bawah dalam unit mol/h; (b) Dengan menggunakan kaedah grafik McCabe-Thiele tentukan bilangan dulang teoreti dan kedudukan dulang uap. x H y H y n+1 = R D x F /(R D + 1) + x D /(R D + 1) y = -qx/(1 q) + x F /(1 q) (100 markah) 4. Satu campuran yang mengandungi 40 mol% benzena dengan toluena diulingkan di dalam atu turu penyulingan untuk mengeluarkan hail ata yang mengandungi 95 mol% benzena dan hail bawah yang mengandungi 5 mol% benzena. Campuran terebut diuapkan ke dalam turu dalam bentuk cecair pada takat didih. Data keeimbanagan item terebut adalah diberi di bawah. (a) tentukan bilangan plat minimum; (b) Tentukan nibah refluk minimum; 9/-

9 - 9 - (c) Jikan nibah refluk ialah 4.0, tentukan bilangan plat yang dikehendaki dan kedudukan uap dengan menggunakan kaedah McCabe-Thiele. x b y b (100 markah) 5. (a) Untuk penuraan melalui kain tura berih, kadar aliran boleh dikaitkan ecara berkadar teru dengan jatuhan tekanan merentai kain dan juga dengan lua permukaan kain. Kadar aliran juga berkadar ongang dengan tebal kain. Terbitkan peramaan umum penuraan yang boleh digunakan ecara grafik untuk mengira rintangan kek khuu dan rintangan medium apabila berlaku penuraan uatu ampaian dengan menggunakan penura tekan jeni plat dan kerangka. Andaikan penuraan pada tekanan malar dan kek tak termampatkan. (40 markah) (b) Peramaan yang diterbitkan dalam bahagian 5 (a) perlu diubahuai kerana tekanan ketika operai perlu ditingkatkan ecara beranur-anur ehingga tempoh tekanan mantap hakiki diperolehi. Peramaan baru itu dituli eperti berikut: t t C( 2A 2 P ) Rm A P t dan maing-maing merupakan maa mula dan iipadu mula ebenar untuk penuraan tekanan malar. (Semua imbol mewakili parameter-parameter yang lazim untuk penuraan tekanan malar). Ujikaji penuraan telah dilakanakan dengan menggunakan penura tekan jeni plat dan kerangka menurut keadaan berikut: Pepejal: ρ = 2710 kg/m 3 Cecair: air pada 20 o C μ = N/m 2 Ampaian: kepekatan = 10 kg/m 3 Penura: jeni tekan plat dan kerangka, 1 kerangka dimeni 430 x 430 x 30 mm (tebal kek ebenar boleh lebih ehingga 5 mm kerana terdapat ruang pada plat). 10/-

10 Data untuk ujikaji terebut dicatat eperti berikut. Jadual 1: Data ujikaji penuraan 10-5 Δp, N m -2 t,, m Kerangka penuh pada iipadu = 0.56m 3 Guna maklumat yang telah diberi untuk menentukan nilai rintangan kek khuu dan rintangan medium. (60 markah) 6. (a) Pengeringan pelbagai pepejal lazimnya akan menunjukkan ecara am dua bahagian utama lengkung kadar pengeringan yakni tempoh kadar-malar dan tempoh kadar-jatuh. Berkaitan dengan proe pengeringan jelakan ecara ringka tentang i) tempoh kadar-malar ii) tempoh kadar-jatuh iii) kandungan lembapan beba iv) kandungan lembapan beba genting (20 markah) 11/-

11 ]IEK 213] (b) Kadar pengeringan, R, boleh dikira dengan menggunakan peramaan berikut: R = L A dx dt R ialah kadar pengeringan (kg H 2 O/h.m 2 ) L berat pepejal kering (kg) A lua permukaan terdedah untuk pengeringan (m 2 ) Gunakan peramaan ini untuk menerbitkan uatu peramaan bagi pengiraan maa pengeringan dalam tempoh kadar malar. (20 markah) (c) Sekelompok pepejal baah yang lengkung-lengkung pengeringannya ditunjukkan di dalam Apendik 1, perlu dikeringkan dari kandungan lembapan beba X 1 = 0.38 kgh 2 O/kg pepejal kering ehingga X 2 = 0.04 kg H O/kg pepejal kering. Berat pepejal kering ialah L = 399 kg dan lua permukaan untuk pengeringan ialah m 2. Kira maa pengeringan. (60 markah) 12/-