AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

Transkript

1 DELING OR INGENIØRUTDNNING EKSMENSOPPGE Emne: Kjemisk reaksjonsteknikk Emnekode: SO 451 K aglig veileder: Per Ola Rønning Gruppe(r): 3K Dato: Eksamenstid: Eksamensoppgaven består av: ntall sider (inkl. forsiden): 6 ntall oppgaver: ntall vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, formelsamling Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. ed eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Utarbeidet av Kontrollert av (en av disse): (faglærer): nnen lærer Sensor Studieleder/ agkoordinator Studieleders/ agkoordinators underskrift: vdeling for ingeniørutdanning ort delersgate 3 54 Oslo tlf: 45 3 faks: iu@hio.no

2 Oppgave 1 a) Stempelstrømreaktoren (PR) er en ideell reaktor. Hvilke krav må vi stille til en rørformet reaktor for at den skal kunne betraktes som en stempelstrømreaktor? b) I en stempelstrømreaktor (PR) omsettes de to reaktantene og B til produktet P etter følgende reaksjonslikning: + B P -r = k B Reaksjonen skjer ved konstant volum. Konsentrasjonene av reaktantene i føden er henholdsvis = 1, mol/l og B =, mol/l. Hastighetskonstanten k er bestemt til,5 L mol -1 min -1. Hva må oppholdstiden τ i reaktoren være for at man skal oppnå en omsetningsgrad på 9% for reaktant? c) I en blandetankreaktor (MR) omsettes 75% av en væskeformig reaktant ( = 1 mol/l). Reaksjonslikningen er: P -r = k Regn ut hva omsetningen av reaktant blir hvis volumet til reaktoren fordobles. i forutsetter at de øvrige driftsbetingelsene ikke endres. d) En reaktant omsettes til produktet P i en stempelstrømreaktor (PR). Reaksjonen skjer i gassfase: (g) 3P(g) -r = k Hastighetskonstanten k er lik,6 min -1, volumetrisk strømningshastighet til føden er målt til v = 1 L/min og =, mol/l. Regn ut hvor stort volum reaktoren må ha for å gi 8% omsetning av reaktanten. e) En væskefasereaksjon B har blitt studert i en satsreaktor ved 1. or å bestemme reaksjonsordenen har halveringstiden (t 1/ ) for reaktanten blitt målt for to ulike startkonsentrasjoner av. Resultatene ble: t 1/ = 4,1 min for =,5 mol/l t 1/ = 7,7 min for =,133 mol/l Bestem reaksjonsorden og regn ut hastighetskonstanten k for omsetningen av til B ved 1.

3 Oppgave a) Hva forstår vi med en resirkulasjonsreaktor, og hvilke fordeler oppnår vi ved å benytte denne reaktortypen? b) En vandig løsning av reaktanten skal omsettes til produktene R og S. Reaksjonen skjer ved at løsningen først passerer gjennom en blandetankreaktor (MR) etterfulgt av en stempelstrømreaktor (PR), slik som vist i figur 1. Reaksjonslikningen er: R + S -r = k Blandetankreaktoren har et volum på 4, L, mens stempelstrømreaktoren har et volum på 16, L. Startkonsentrasjonen til er =,1 mol/l. Konsentrasjonen av R i blandetankreaktoren ( R1 ) måles til, mol/l. Hva blir konsentrasjonen av R ( R ) i utløpet fra stempelstrømreaktoren? R =? MR = 4, L PR = 16, L igur 1: Seriekoblede reaktorer - oppgave b c) ølgende parallelle reaksjon finner sted i en reaktor: + B R r R = k R S r S = k S B Det skjer ingen volumendring under reaksjonen. Like mengder og B settes til reaktoren, = B =, mol/l. Omsetningen av reaktantene er 9%. Hastighetskonstantene er henholdsvis k R =,5 L mol -1 min -1 og k s =,4 L mol - min -1. i. Regn ut konsentrasjonen av R i produktblandingen når reaksjonen skjer i en blandetankreaktor (MR). ii. Regn ut konsentrasjonen av R i produktblandingen når reaksjonen skjer i en stempelstrømreaktor (PR). 3

4 ormelsamling i Kjemisk reaksjonsteknikk EDLEGG 1. b b 4ac ± = (løsning,.gradslikning) a E a / RT k = k e eller lnk = lnk E a /RT (rrhenius likning) n n = eller n = eller 1+ ε = ( ) ( 1+ ε ) ε = = 1 = = eller n( g) ε = n ( g) = 1+ ( ε ) t n 1 = k( n 1) n τ = ( = ) v N N = ( 1+ kτ i ) τ N = N τ i Like MR i serie, 1.ordens reaksjon Designlikninger: t = n d (Satsreaktor) r = r (MR) d = r (PR) f d = ( R + 1) hvor r R f R+ 1 olum resirkulert R= olum tappet av (Reaktor med resirkulering) 4

5 ormelsamling, forts. Parallelle reaksjoner: R r dr r d R ϕ = = R Rf Φ = f R Φ PR = 1 f f ϕd O ϕ MR = Φ MR Termodynamikk: T r T1 H ( T = rh T + ) ( 1) PdT ' P(T T) 1 = H r T 5

6 Integraler brukt i kjemisk reaksjonsteknikk EDLEGG. (I-) (I-1) (I-) n 1 n 1 d= + n -1 n+ 1 d 1 = ln d = (1 ) d b (I-3) = ln( a + b) a + b a a d 1 (I-4) = ln(1 + ε) 1+ ε ε (I-5) (I-6) (I-7) 1+ ε 1 d = (1 + ε )ln ε 1+ ε (1 ) (1 ε ) d = ε 1 ln (1 + ε) (1 + ε ) d = ε (1 + ε)ln(1 ) + ε + (1 ) d 1 M (I-8) = ln M 1 (1 )( M ) M 1 (1 ) M 6