EKSAMENS OPPGAVE. Antall sider: 6

Transkript

1 Høgskol(Jn ;mm m Avdelingfor ingenibrutdanning EKSAMENS OPPGAVE Fag: KJEMISK REAKSJONSTEKNIKK Gruppe(r): 2KA,3KA Eksamensoppgaven består av Tillatte hjelpemidler Antall sider: 6 Fagnr: sa 451 K Dato: Antall oppgaver: 2 Faglig veileder: Per Ola Rønning Eksamenstid, fra - til: Antall vedlegg: 2 Kalkulator som ikke kan kommunisere med andre Matematisk fonnelsamling Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Innføring skal være med blå sort penn.

2 Oppgave 1: Kjemisk reaksjonsteknikk sa 451K a) Sett opp materialbalansen for en satsreaktor og vis at designlikningen for denne reaktortypen blir: XA dxa t = DAO f =;;v o b) Følgende omsetningsdata er målte for en kjemisk reaksjon der en enkelt reaktant A omsettes til produkter: XA = 0,25 etter 45,0 sekunder, CAD = 4,0 mol/l XA = 0,25 etter 28,4 sekunder, CAo= 10,0 mol/l, Bestem reaksjonsorden og hastighetskonstant for reaksjonen. c) Følgende reversible elementærreaksjon er gitt: k A -;-~, k 2R 2 Reaksjonen skjer i væskefase. Hastighetskonstantene er kl= 1,0 min-log k2 = 0,4 L mol-i min-i. Hva blir likevektsomsetningsgraden hvis CAo = 2,0 mo1/l? d) To blandetankreaktorer (MFR) med like volum er koblet i serie (CAo = 1,0 mol/l). Følgende væskefasereaksjon finner sted i de to reaktorene: A"'-+P -ra = kca Beregn omsetningsgraden av reaktanten ved utløpet av reaktor nr. 2 når oppholdstiden i reaktorene er 't = 2,0 min, k = 1~0 min-tog omsetningen av reaktant ved utløpet av reaktor nr. l er 40 %. e) Følgende gassfasereaksjoll finner sted i en stempelstrømreaktor (PFR) 2A -+- P -ra = kca 2 Ren reaktant A mates til reaktoren med en konsentrasjon CAo = 2,5 mol/l. Hastighetskonstanten er målt til k = 0,5 L mori min-i. Beregn oppholdstiden 't i reaktoren ved en omsetningsgrad på 75%. 2

3 Oppgave 2 Kjemisk reaksjonsteknikk SO 451K a) Gassfasereaksjonen mellom stoffene A og B katalyseres av et fast stoff i en stempelstrømreaktor (PFR). Reaksjonslikningen skrives: A + B -+ 2R -ra = kcacb Dobbelt så mye av reaktant B i forhold til reaktant A tilføres reaktoren: CAo = 1.0 moj/l. Coo = 2.0 moj/l. 50 gram katalysator benyttes i reaktoren. og den totale volumetriske fødehastigheten er 10 Umin. Under de gitte driftsbetingelsene resulterer dette i en omsetning av reaktant A på 500/0. Regn ut hastighetskonstanten k. b) En parallell reaksjon, som kun involverer væskeformige reaktanter og produkter, skjer i en stempelstrørnreaktor (PFR): ""'" R rr= krcacb A+B '..,..S TS= kscacb2 Like store mengder av reaktant A og B mates til reaktoren, CAo = CBO = 5 mol/l. Hastighetskonstantene er henholdsvis kr = 0,5 L mol-i min-log ks = 0,4 L 2 mol-2 min Beregn konsentrasjonene av stoff R og S i produktblandingen ved 90% omsetning av reaktantene. c) Figuren under viser salnjnenhengen mellom konsentrasjonen aven reaktant A og omsetningshastigheten for A for en autokatalytisk reaksjon. En blandetankreaktor (MFR) og en stempelstrømreaktor (PFR) skal kobles sammen i serie slik at man oppnår ønsket omsetning av reaktant A, her gitt ved sluttkonsentrasjonen CA(. fugen resirkulasjon av produktblandingen finner sted. Driftsbetingelsene tilsier at konsentrasjonen av reaktanten ut fra den første reaktoren i seriekoblingen skal være CAI. - -ra Ta utgangspunkt i figuren og forklar om bl3j1detankreaktoren bør kobles/ør etter stempelstrørnreaktoren for å få optimale drift (dvs. minst mulig totalt reaktorvolum). d) En fast katalysator med kuleformede partikler brukes i en l.ordens kjemisk reaksjon. Det er kjent at denne katajysatoren har store diffusjonsbegrensninger under alle driftsbetingelser. For en partikkeldiameter på 50 Dm er Thieles modul oppgitt til å være MT = 5. Hva blir efiektivitetsfaktoren for reaksjonen hvis partikkeldiameteren økes til 250 Dm mens alle andre betingelser holdes uendret?.1

4 Kjemisk reaksjonsteknikk SO 4S 1 K E~ Formelsamlin2: i Kiemisk reaksionsteknikk VEDLEGG l. v I'; = 1';.0 +~(1T-1TO) (Vi: Støkiometrisk koeffisient) k = koe-e.fr XA = n An - n A -' nal 1--CA CAo XA = CA 1+&A- C AO v -v X.-1.t'.-0 &A = ~.. V XA-o v = Vo{l+&,fXA F l-. l t = F k(n-l) - CI-. AO T = - v (=--!2- c V &= ~~ no(g) v F' AO t = n AO ~- -r A. V (Satsreaktor) V =~ (MFR) FAo -r4 v -= FAo (PFR) y -=-= (R+l) fp (.! ) XAf RI i;ix~ ~ hvor R= -ra <1>( ~. og - =_!!EL A - dca Volum resirkulert c., CAO -CA! Volum tatt ut <I>(~ )". tp"n = <I> "FR 4

5 Kjemisk reaksjonsteknikk sa 451 K fqrmelsamlinl!. fon~ c ;;::'.1..= (1 + k, l r 'r N = N. 'r, Like MFR i serie, l.ordens reaksjon X -S<T2-TJ -ArHTæ A- [: MT=L~D: (Thieles modul, l.ordens reaksjon) dp R R L=- L=- L=- 2' 2' 3 f, (effektivitetsfaktor) = ~ (med diffusjonsbegrens~ -fao (uten diffusjonsbegrensning) (; limt (stor diffusjonsbegrensning) = 2a

6 ~ Kjemisk reaksjonsteknikk SO 451K Integraler brukt i kjemisk reaksjonsteknikk VEDLEGG 2. ~ l fnd = _X"+I A o n+l n ~-l.. 1..( 1 Ad o f~ l - ~="\i-=; ) d: ~=--- f(-:-; '1 )"2 l- f d o~+b -=---ln(a+b) a b al 0-4) Xd f- l o l +EX =-ln 6' ( l+ EX ) f.,o ~ FCC", J o ) -EX.,,- -. a-7) Q-B). (I-e)i J I - =-,d =.r J l+ix. 0(1- )- ~--&"\ 1:; )..., o [(1 o-=~y-d + EX)" = 2E(1 + E) ln(l- X)+ E2 X + (I + E)2 X "cf ~ d = :M'::1~M{1:;;:.l M- ) =~lnf M * 1 f(l-x)(m-~ 6