UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
Kort prosessbeskrivelse av metanolfabrikken

melting ECMI Modelling week 2008 Modelling and simulation of ice/snow melting Sabrina Wandl - University of Linz Tuomo Mäki-Marttunen - Tampere UT

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgaver i Varme- og forbrenningsteknikk Oppgaver og løsningsforslag

Oppgavesett kap. 6 (3 av..) GEF2200

Oppgave. føden)? i tråd med

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

EKSAMEN I EMNE TKP 4155 / KP 8903 REAKSJONSKINETIKK OG KATALYSE REACTION KINETICS AND CATALYSIS

UNIVERSITETET I OSLO

Sitronelement. Materiell: Sitroner Galvaniserte spiker Blank kobbertråd. Press inn i sitronen en galvanisert spiker og en kobbertråd.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

UNIVERSITETET I OSLO

Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET (NTNU) - TRONDHEIM INSTITUTT FOR ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITY OF OSLO. Make sure that your copy of this examination paperis complete before answering.

Slope-Intercept Formula

UNIVERSITETET I OSLO

New Separator Technology Development Objectives

EKSAMEN I EMNE TKP 4155 / KP 8903 REAKSJONSKINETIKK OG KATALYSE REACTION KINETICS AND CATALYSIS

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Databases 1. Extended Relational Algebra

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR MASKINTEKNIKK EKSAMEN I EMNE SIO 7030 ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

Trigonometric Substitution

KROPPEN LEDER STRØM. Sett en finger på hvert av kontaktpunktene på modellen. Da får du et lydsignal.

CATMAT Forskningsutfordringer

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Arkiv Arkivnr. RAPPORT. Gruppe OPPGAVE:

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

TRANSFORMERS WESTERN UNITED ELECTRIC SUPPLY

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

Ole Isak Eira Masters student Arctic agriculture and environmental management. University of Tromsø Sami University College

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

KJ1000 Generell kjemi, General Chemistry

NO X -chemistry modeling for coal/biomass CFD

Moving Objects. We need to move our objects in 3D space.

Siste seminar: Foreslåtte oppgaver basert på ønsker.

Physical origin of the Gouy phase shift by Simin Feng, Herbert G. Winful Opt. Lett. 26, (2001)

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE I BI2014 MOLEKYLÆRBIOLOGI

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

buildingsmart Norge seminar Gardermoen 2. september 2010 IFD sett i sammenheng med BIM og varedata

Innovative Natural Gas Processes and Products. ingap. Partnere: Universitetet i Oslo NTNU SINTEF Borealis Hydro Statoil

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Frekvensbånd for mobilkommunikasjon i Norge dagens bruk, tillatelser, FDD/TDD, sameksistens, GSM-R og naboer

REMOVE CONTENTS FROM BOX. VERIFY ALL PARTS ARE PRESENT READ INSTRUCTIONS CAREFULLY BEFORE STARTING INSTALLATION

BOKMÅL EKSAMENSOPPGAVE I KJE Eksamen i : KJE Eksamensdato : Mandag 22.februar. Tid : 09:00-15:00. Sted : Administrasjonsbygget, B.154.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamensoppgave i GEOG1005 Jordas naturmiljø

Little Mountain Housing

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO

Innspill fra forskningsgruppe Uorganisk nanokjemi og katalyse, Kjemisk Institutt, UiB

IPCC, From emissions to climate change

UNIVERSITETET I OSLO

Det er 20 avkryssingsoppgaver. Riktig svar gir 1 poeng, feil eller ingen svar gir 0 poeng.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Gradient. Masahiro Yamamoto. last update on February 29, 2012 (1) (2) (3) (4) (5)

Neural Network. Sensors Sorter

Smart High-Side Power Switch BTS730

The exam consists of 2 problems. Both must be answered. English

Kvantifisering av diffuse støv Eramet Sauda Oliver Severin

GYRO MED SYKKELHJUL. Forsøk å tippe og vri på hjulet. Hva kjenner du? Hvorfor oppfører hjulet seg slik, og hva er egentlig en gyro?

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamen TKJ TKJ Vår Ex juni 2008

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi

Bruk av Aluminium Offshore & i Industrien

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

Eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Onsdag 21. desember, :00 19:00

MID-TERM EXAM IN TEP4125 THERMODYNAMICS 2 Friday 28 March 2014 Time: 10:30 11:30

Little England Design A/S Priser på Little England toalett serie. Alle priser er notert inklusiv m. v. a. eksklusiv utkjøring fra vårt lager i Oslo

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

(12) Translation of european patent specification

Speed Racer Theme. Theme Music: Cartoon: Charles Schultz / Jef Mallett Peanuts / Frazz. September 9, 2011 Physics 131 Prof. E. F.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Gir vi de resterende 2 oppgavene til én prosess vil alle sitte å vente på de to potensielt tidskrevende prosessene.

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Examination paper for (BI 2015) (Molekylærbiologi, laboratoriekurs)

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

EKSAMENSOPPGAVE I SØK 1002 INNFØRING I MIKROØKONOMISK ANALYSE

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

HONSEL process monitoring

GAMLE EKSAMENSOPPGAVER I SVSØ 354 / SØK 3509 INTERNASJONAL HANDEL OG ØKONOMISK GEOGRAFI

Transkript:

Side 1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: KJM3800 Petrokjemi Eksamensdag: 9. desember 2015 Tid for eksamen: 09:00 13:00 Oppgavesettet er på 3 sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Lommekalkulator Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1 (24 poeng) Katalysatorer er sentrale i mange av de kjemiske prosessene som foregår i et oljeraffineri og i et petrokjemisk anlegg. a) Hva er fordelene med en katalytisk prosess sammenlignet med en termisk prosess? Hva er ulempene (4 poeng)? Her er det mange ting, bl.a.: -En termisk prosess uten katalysator vil kunne være billigere og/eller enklere -Selektivitet, katalytiske prosesser vil ofte være mer selektive -Hva har man å spille på for å oppnå selektivitet: -I en termisk prosess har man kun reaksjonsbetingelser å spille på for å oppnå selektivitet -I en katalytisk prosess vil de aktive speciene kunne styre selektiviteten -Krav til føderenhent -En termisk prosess kan ofte tolerere en mindre ren føde, katalysatorer vil oftere bli forgiftet Mindre viktige ting: -Deaktivering, katalytiske prosesser vil kunne være mer utsatt for deaktivering (selv om det kokser i termiske prosesser også). -Reaksjonstemperaturen vil ofte være høyere i termiske prosesser -Dermed energiforbruket vil kunne være høyere, og dette gir utslag på økonomien -Videre gir dette føringer på de termodynamiske betraktninger, mange termiske prosesser er endoterme, ikke eksoterme -Prosessdesignet vil påvirkes -For eksempel vil rask kjøling etter reaktoren være viktigere i termiske prosesser som foregår ved høy temperatur der man ønsker å redusere effekten av viderereaksjoner i gassfase -Man må ta større høyde for løsninger for regenerering ved katalytiske prosesser

b) Hva menes med henholdsvis heterogen og homogen katalyse? Diskuter fordeler og ulemper med disse to mulighetene (4 poeng). Her er det mye, dette er det viktigste: Heterogeneous catalysis - The catalyst is in one phase, normally solid, while the reactants and products are in another phase. Separation of catalyst and products is easy, but the reaction is often less selective, because the catalyst material is not homogeneous Homogeneous catalysis The catalyst, reactants and products are all in one phase, normally the liquid phase. The reactions proceed over a metal complex and are often highly selective, but separation of the products and the catalyst is difficult Most large scale industrial processes are based on heterogeneous catalysts Andre mindre viktige punkter: Muligheter for karakterisering (NMR i homogen katalyse), mulighet for tuning med ligander, kostnad, luft- og vannfølsomhet c) En heterogent katalysert reaksjon sies ofte å foregå via en rekke trinn. Beskriv disse trinnene fra reaktant til produkt (4 poeng). 1. Reactant molecules diffuse to the catalyst surface. 2. Reactant molecules are adsorbed on the catalyst. 3. A reaction takes place between the adsorbed molecules. The reaction may take place in one or several steps. 4. The reaction products from step 3 are desorbed from the catalyst surface. 5. The product molecules diffuse away from the catalyst surface into the bulk phase. d) Heterogene katalysatorer kan deaktiveres. Nevn de tre viktigste deaktiveringsmekanismene, og beskriv kort prosessparameterne som påvirker dem (4 poeng). Coke formation Temperature, overall pressure, hydrogen or water pressure, residence time, etc Sintering of metal or support Temperature, presence of e.g. hydrogen to control oxidation/reduction, water pressure, etc. Poisoning Feed purity (Evaporation of the active phase) Temperature e) Hvorfor er mange industrielle katalysatorer laget slik at den aktive komponenten er plassert på overflaten av en bærer (engelsk: support) som utgjør hoveddelen (i masse) av katalysatoren (4 poeng)? Need less (expensive) metal Defined distribution of active metals with respect to particle size, distance etc. Less sintering, i.e. metal particles growing together The carrier may take part in the catalytic reaction, active vs. inactive supports f) Forklar prinsippet bak en bifunksjonell katalysator (4 poeng).

A bifunctional catalyst has both acid/base properties and redox properties. The typical example is catalytic reforming, where the catalyst (Pt on chlorinated alumina) has redox properties to catalyze hydrogenation/dehydrogenation and acid properties to catalyze the carbenium ion chemistry. Oppgave 2 (56 poeng) Ammoniakkfabrikken på Herøya nær Porsgrunn kan spores tilbake til 1928. Som følge av flere utvidelser og forbedringer er den årlige produksjonskapasiteten for ammoniakk på om lag 530 000 tonn. I fabrikken produseres ammoniakk fra komponenter vi finner i våt naturgass. Et diagram som beskriver hele prosessen er gitt nedenfor. Oversikt over ammoniakksyntesen Det første trinnet i prosessen er å fjerne svovel fra føden, som er naturgass. a) Hvorfor er det kritisk viktig å fjerne svovel? Skriv ned en reaksjonslikning for denne prosessen (4 poeng). Svovel vil være en gift/poison for etterfølgende katalysatorer og føre til rask deaktivering. For reaksjonslikningen må man velge svovelforbindelse; tiol, tiofen, benzo(dibenzo)tiofen. CH 3 SH + H 2 CH 4 + H 2 S (se side 76 for andre svovelforbindelser) Deretter blir den rene naturgassen (vi antar at sammensetningen er CH 4 ) behandlet i primær- og sekundærreformeringsenhetene (engelsk: primary and secondary reformers). b) Hva fremstilles i reformeringsenhetene? Beskriv reaksjonene som skjer i både primær- og sekundærreformeringsenhetene ved hjelp av reaksjonslikninger. Vi lager syntesegass. En blanding av CO/CO 2 og H 2, men i dette tilfellet med N 2 fra luft.

Steam reforming, primary reformer: Viktigst (og tilstrekkelig): CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 I tillegg, WGS, Boudouard, tørr reformering Sekundær reformer, autoterm reformer: I flammen: I katalysatorsjiktet: CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 O CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Gunnar K. er leder for ammoniakkfabrikken. Med noen års mellomrom stenger Gunnar fabrikken for å erstatte brukte katalysatorer og for å gjøre viktige reparasjoner. Han har lagt merke til at katalysatoren som brukes i primærreformeringsenheten må skiftes ut mye oftere enn katalysatoren som brukes i sekundærreformeringsenheten. c) Hvorfor har katalysatoren som brukes i sekundærreformeringsenheten mye lengre levetid enn katalysatoren som brukes i sekundærreformeringsenheten (4 poeng)? Reaksjonstemperaturen er høyere, det gjør koksing mindre gunstig termodynamisk. Oksygen-til-karbon er høyere, koksforløpere er reformert i primærenheten. Skiftreaksjonene foregår i to trinn; et ved høy temperatur og deretter et trinn ved lav temperatur. d) Skriv ned en reaksjonslikning for vann/gass-skiftreaksjonen (engelsk: water gas shift). Forklar hvorfor det er nødvendig å utføre prosessen i to trinn (4 poeng). CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = -41 kj/mol Skiftreaksjonen er svakt eksoterm. Vi ønsker å pushe likevekten helt over mot produktene, og derfor må reaktortemperaturen være lav. MEN, dersom vi skulle gjort skiftreaksjonen i en reaktor ved lav temperatur, måtte reaktoren vært kjempestor, ettersom aktiviteten er lav ved lav temp. (Katalysatorene er forskjellige, men det er egentlig ikke viktig her.) Selve ammoniakksyntesen foregår i synteseloopen (engelsk: synthesis loop) etter de tre kompressorene. e) Diskuter prosessen for ammoniakksyntese i detalj. Relevante aspekter kan være, blant annet, termodynamikk, reaksjonsbetingelser, reaksjoner og reaksjonsmekanismer, prosessutforming og katalysatorens egenskaper (20 poeng). Se side 171-182 i den nye utgaven av boka. Gunnar ønsker å forstå og forbedre anlegget. Derfor bestemmer han seg for å sette opp en kinetisk modell for ammoniakksyntesen. Han vet at adsorpsjon av nitrogen er viktig, og han bruker følgende Langmuir-isoterm for å beskrive dette reaksjonstrinnet:

θ N = Kp N2 1 + Kp N2 f) Skriv ned en reaksjonslikning for den kjemiske likevekten som beskrives av dette uttrykket. Gjør rede for antagelsene bak dette uttrykket og definer symbolene som inngår (8 poeng). This isotherm describes the equilibrium between gas-phase molecules, free surface sites, and dissociatively adsorbed (chemisorbed) molecules: A 2 + 2* 2A-* 1. The surface is uniform and consists of a number of adsorbing sites. 2. The adsorbed gas (A) is bound to the surface without being dissociated. 3. The adsorption enthalpy is constant, i.e. it does not depend on the presence of other adsorbed molecules in the vicinity. This again means that the adsorption enthalpy is the same when the first molecules are adsorbed on an empty, clean surface, as it is when the last molecules are adsorbed on a surface that is becoming saturated. 4. The adsorbed molecules are bound to the surface so that a new molecule may not be adsorbed on a site that is occupied. 5. An adsorbed molecule may be desorbed and leave the surface. θa: surface coverage of compound A. K : adsorption equilibrium constant for adsorption of compound A. pa : partial pressure of compound A. g) Utled uttrykket (8 poeng). Se kompendium Oppgave 3 (20 poeng) Oljeraffineriet på Slagentangen har en behandlingskapasitet på 6 millioner tonn råolje per år. Dette tilsvarer mer enn halvparten av Norges samlede forbruk av petroleumsprodukter slik som høyoktan bensin og dieselolje. I løpet av et driftsår er opptil 800 større og mindre skip innom terminalen. I hjertet av raffineriet finner vi Powerformeren, som er en enhet for katalytisk reformering. b) Diskuter prosessen for katalytisk reformering i detalj. Relevante aspekter kan være, blant annet, termodynamikk, reaksjonsbetingelser, reaksjoner og reaksjonsmekanismer, prosessutforming og katalysatorens egenskaper (20 poeng). Se side 63-69 i den nye utgaven av boka.