Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

CENG0002 Introduction to Chemical Engineering – Project

Answer ALL questions.

Each  question  carries  marks  distributed  as  shown  in  the  right  margin.   There  are  100 marks in total.           [    ]

The problem

You are part of a team (although you will work alone on this project) looking at the production of methyl acetate, a commodity chemical with many uses.  The first step in the production of methyl acetate is the dehydration of methanol (CH3 OH) to produce dimethyl ether (CH3OCH3):

2 CH3OH ←−→ CH3OCH3 + H2O

This reaction takes place in vapour phase at 600 K. A potential design of this process has been obtained, described below. The team has requested that you apply your expertise in process analysis, including both mass and energy balances, to answer a number of questions related to the design.

The process, operating at steady state, consists of a reactor, in which the above reaction takes place.  The effluent of the reactor is sent to a separation section consisting of two distillation units.  The reactor effluent is the feed to the first distillation unit.  The top product stream of this first distillation unit consists of 99 mole% dimethyl ether with the remainder methanol. The bottom product stream of this first distillation unit is sent to a second distillation unit and contains 5% of the dimethyl ether, 99% of the methanol fed to this unit, and all the water fed to the unit.

In the second distillation unit, the top product stream consists of all of the dimethyl ether in the feed to this distillation unit, all the methanol fed to the unit that does not leave with the bottom product, and some water.  The bottom product stream consists solely of water and methanol. 95% of the water fed to the second distillation unit comes out in the bottom product stream of that unit.

The top product stream of the second distillation unit is recycled back to a mixer which mixes this stream with the feed to the process. The output of the mixer is sent through a heat exchanger to convert the liquid to vapour and is then fed into the reactor.

A stream of methanol, consisting of 99% methanol and 1% water by mole, is fed to the process at a rate of (450 + 10 × d) kmol h-1 .  d should be replaced by the last digit of your student number. For instance, if the last digit of- your student number were 3, the flow rate of the feed would be (450 + 10 × 3) kmol h-1 = 480 kmol h-1 .

The overall fractional conversion of methanol is 0.90.

Table 1: Heat capacity  (kJ mol-1  K-1) of dimethyl ether in vapour phase for different temperatures (K).

Temperature    Cp (kJ/mol/K)

[K]       [kJ mol-1  K-1]

capacity for dimethyl ether for the calculation of sensible heat.                            [10]

iii)  The heat exchanger after the mixer heats up the mixer output stream from liquid at 323 K at 1 atm to vapour at 600 K and 1 atm pressure before feeding the reactor. How much heat is required?  Ignore the changes in kinetic energy.

Supplementary data: The same source for heat capacity data noted in the previous question tells us that the boiling point of dime-thylether is 248.2 K and that the latent heat of vapourisation is 21.5 kJ mol-1.

iv)  If kinetic energy were not ignored in the previous question, and assuming that the pipes to and from the exchanger were similar in size, do you expect your answer to have been lower or higher? Explain why.       [5]