~ høgskolen i oslo Emne: Kjemisk reaksjonsteknikki "'--1 Emnekode: 80451 K Gruppe(r): 1, Dato: 3K i Eksamensoppgaven består av: Tillatte hjelpemidler:. er (inkl. 6 ator, fonnelsamling t ~OO~ oppgaver: 2 Faglig veileder: Per Ola Rønnme Eksamenstid 09.00-12.00 Antall vedlegg: 2 Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Ved eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Avdeling for Ingeniørutdanning. CM Adelersgate 30.0254 Oslo. tlf: 22 45 32 00. faks: 22 45 32 05. iu@hio.no
Oppgave 1 a) Stempelstrørnreaktoren (PFR) er en ideell reaktor. Hvilke krav må vi stille til en rørformet reaktor for at den skal kunne betraktes som en stempelstrørnreaktor? b) I en stempelstrømreaktor (PFR) omsettes de to reaktantene A og B til produktet P etter følgende reaksj onslikning: A+B ~p -ra = kcacb Reaksjonen skjer ved konstant volum. Konsentrasjonene av reaktantene i føden er henholdsvis CAO = 1,0 mol/l og CBO = 2.0 mol/l. Hastighetskonstanten k er bestemt til 0,5 L.mol-l.min-l. Hva må oppholdstiden 't i reaktoren være for at man skal oppnå en omsetningsgrad på 90% for reaktant A? c) I en blandetankreaktor (MFR) omsettes 75% av en væskeformig reaktant A (CAO= 10 mol/l). Reaksjonslikningen er: A-+P -ra = kca2 Regn ut hva omsetningen av reaktant A blir hvis volumet til reaktoren fordobles. Vi forutsetter at de øvrige driftsbetingelsene ikke endres. d) En reaktant A omsettes til produktet P i en stempelstrømreaktor (PFR). Reaksjonen skjer i gassfase: A(g) --+- 3P(g) -ra = kca Hastighetskonstanten k er lik 0,6 min-l, volumetrisk strømningshastighet til føden er målt til Va = 100 Umin og CAo = 2,0 movl. Regn ut hvor stort volum reaktoren må ha for å gi 80% omsetning av reaktanten. e) En væskefasereaksjon A ~ B har blitt studert i en satsreaktor ved 100 C. For å bestemme reaksjonsordenen har halveringstiden (tl/2) for reaktanten blitt målt for to ulike startkonsentrasjoner av A. Resultatene ble: tlll = 4,1 min for CAD = 0,0250 mo/il tlll = 1,1 min for CAD = 0,0133 mo/il Bestem reaksjonsorden og regn ut hastighetskonstanten k for omsetningen av A til B ved 100 C. 2
Oppgave 2 a) Hva forstår vi med en resirkulasjonsreaktor, og hvilke fordeler oppnår vi ved å. benytte denne reaktortypen? b) En vandig løsning av reaktanten A skal omsettes til produktene R og S. Reaksjonen skjer ved at løsningen først passerer gjennom en blandetankreaktor (MFR) etterfulgt aven stempelstrømreaktor (pfr), slik som vist i figur 1. Reaksjonslikningen er: A -+ R + S -ra = kca Blandetankreaktoren har et volum på 4,0 L, mens stempelstrømreaktoren har et volum på 16,0 L. Startkonsentrasjonen til A er CAo = 0,010 movl. Konsentrasjonen av R i blandetankreaktoren (CRV måles til 0,002 movl. Hva blir konsentrasjonen av R (CRl) i utløpet fra stempelstrømreaktoren? CAO Cu-? VMFR=4,OL VPFR = 16,0 L Figur 1: Seriekoblede reaktorer - oppgave 2b c) Følgende parallelle reaksjon finner sted i en reaktor: R ~ A+B ---""S fr = krca2 Tg = kscacø2 Det skjer ingen volumendring under reaksjonen. Like mengder A og B settes til reaktoren, CAo = CBo = 2,00 mol/l. Omsetningen av reaktanten er 90%. Hastighetskonstanten er henholdsvis kr = 0,5 L.mol-I.min-I og ks = 0,4 L 2.mol-2.min-I. i. ii. Regn ut konsentrasjonen av R i produktblandingen når reaksjonen skjer i en blandetankreaktor (MFR). Regn ut konsentrasjonen av R i produktblandingen når reaksjonen skjer i en stempelstrømreaktor (PFR). 3
Formelsamlin!! i Kiemisk reaksionsteknikk VEDLEGG 1. k = kne-e.'.t eller lnk = lnko - E,/RT (Arrhenius' likning) eller eller eller E= An(g) no(g) y = Yo(l + &..X..) Fl-. - 1 IF = k(n-l) y T= v (=~) FAO Ca-. AO '!'N = No,!,; Like MFR i serie, l.ordens reaksjon Designlikninger: t = n AO (Satsreaktor) ~= FAO XA -ra (MFR) -- v (PFR) v -;:-=(R+l) XAf RI R+\XAf ~ hvor R= -ra Volum resirkulert Volum tappet av (Reaktor med resirkulering) 4
Formelsamlioi!. forts. Parallelle reaksjoner: =- -ra f'(~ r. dc. -= -dc Jf - CAO CR! -CAl ci>(~ ~~PFR lp MFR = <I> MFR Termodynamikk: X A- _C'p(T2-T1) -drht2 5
Inteeraler brukt i kjemisk reaksionsteknikk VEDLEGG 2. x JxDdx = 1 -x o n+l 0+1 n ~-l x dx: 1..( 1 It=; = "\t=; ) x dx x J(I-= 4 = I=-; x xdx J oax+b x a ḇ 2.ln(ax+b ) a.ldx J~ n =~ln(l+&x) & Z J...!.::!::~-dx = Q.~ o (l-x y l-x X~:!:~.Jx = 2e(1+e)ln(1-x)+s2x+ J-(1-X)2 1_( M-x t'm'"{i-:";) 0+ 6)2 X I l-x M;t:l 6