Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik, del A Exam in Chemical Reaction Engineering, part A (KMT 007)

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik, del A Exam in Chemical Reaction Engineering, part A (KMT 007)"

Siv Pettersson
för 5 år sedan
Visningar:

1 Sid 1 Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik, del A Exam in Chemical Reaction Engineering, part A (KMT 007) Lärare/Teacher: Fredrik Jareman tel: Läraren besöker salen kl. 10 och kl. 1. Teacher will visit at 10 and 1. Tid/Time: Resultatet anslås/result will be announced : Antalet uppgifter/number of questions: 5 Maxpoäng/Maximum score: 60 För godkänt krävs/to pass: 30 Betyg: Marks: Poäng Score Betyg Mark Tillåtna hjälpmedel: Allowed aids: Beta Mathematics Handbook. Formelsamling (bilaga i tentamen) Formula Sheet (appendix to exam). Fysikalia, Tabell och Formelsamling i Fysik. Räknedosa/Calculator. Skriv ditt namn och uppgiftens nummer överst på varje blad. Write your name and the number of the question on top of each sheet. Börja varje ny uppgift på nytt blad. Start each new question on a new sheet. Alla symboler som använts i uppgifterna är definierade som i Foglers bok och formelsamlingen. All symbols that are used are defined as in Foglers book and the formula sheet. Skriv SVAR: följt av svaret på respektive uppgift/deluppgift. Write Answer: followed by the answer of respective question/part of question. Svara på svenska eller engelska. Answer in Swedish or English.

2 Svensk version Sid 1 För att förbättra oktantalet i bensin, kan butan reagera med buten i vätskefas. Under rätt reaktionsbetingelser sker följande önskvärda reaktion: C 4 H 10 + C 4 H 8 C 8 H 18 Men, buten kan också reagera med sig själv och bilda oönskade produkter som beskrivs nedan: C 4 H 8 + C 4 H 8 C 8 H 16 Dessa reaktioner kan representeras med följande kinetiska uttryck: A+ B R r = k 1 C C (önskad) R A B S = B B+ B S r k C (oönskad) a) Reaktionen sker i en vätskefas, omrörd tankreaktor (CSTR), som har en uppehållstid av 1.0 min. Tillflödet har en ekvimolär sammansättning av A och B (C A0 = C B0 = 1 mol/l). Produktströmmen innehöll 0.4 mol/l A and 0. mol/l B. Bestäm hastighetskonstanterna k 1 och k för reaktionerna. (8p) b) Använd hastighetskonstanterna som bestämdes i (a) för att bestämma storleken på en CSTR som skall användas för att omsätta l/min ekvimolärt tillflöde (C A0 = C B0 = 10 mol/l) så att koncentrationen av B i produktströmmen blir 0.5 mol/l. Vad blir koncentrationen av alla de övriga komponenterna i produktströmmen? (4p) En isoterm, packad bädd reaktor i laboratorieskala används för att bestämma kinetiska reaktionsparametrar. I detta fall studeras den nedan angivna gasfas reaktionen: A+B C Det kan antas att reaktionen har elementär kinetiken. Reaktorn är packad med 100 g katalysator och utgående tryck ifrån reaktorn är 60% av det ingående trycket. I själva experimentet erhölls en 70%-ig omsättning av A Bestäm värdet på hastighetskonstaten (k). Reaktionebetingelser P 0 =0 kpa, T=500 K, F A0 =0.05 mol/min, F B0 =0.06 mol/min (1p)

3 Svensk version Sid 3 3 Genom att använda en indikator som ger färgomslag då koncentrationen av A faller under 0.1 mol/l, utvecklas nedanstående procedur för att studera sönderfallet av A: Ett flöde av 0.6 mol A/l tillförs den första av två seriekopplade tankreaktorer av glas, båda med volymen 400 ml, se figuren nedan. Färgändring uppstår i den första reaktorn vid ett stabilt flöde om 10 ml/min och i den andra reaktorn vid ett stabilt flöde om 50 ml/min. Bestäm hastighetsekvationen för sönderfallet av A från denna information. (1p) C A0 = 0.6 mol/l v 0 = 10 ml/min eller v 0 = 50 ml/min färgändring här 4 Du arbetar på månen och är törstig. Du funderar på att använda den irreversibla gasfasreaktionen H (g) + O (g) H O (g) med reaktionshastigheten r O = k C H mol/(s m 3 ) där k = 0.01 /s vid 300 C eller färgändring här för att tillverka vatten i en isoterm semisats tankreaktor vid 300 C. Du tänker köra reaktorn satsvis. Ur säkerhetssynpunkt är reaktorn i början endast fylld med inert argongas med totaltrycket 1 bar. Sedan tillsätter du 5 mol/s H och 5 mol mol/s O till reaktorn. Gasen tar du från din havererade rymdraket. Reaktionen startar ögonblickligen så snart reaktanterna når reaktorn. Du vill nå 80% omsättning av tillförd vätgas, för att sedan stoppa reaktionen och tömma reaktorn. För att undvika att även reaktorn havererar, får trycket i reaktorn inte överstiga 9 bar. a) Bestäm minsta möjliga reaktorvolym. (8 p) b) Vilka ytterligare data hade du behövt och hur hade du gått tillväga för att lösa uppgiften om en adiabatisk reaktor skulle användas i stället? (4p)

4 Svensk version Sid 4 5 a) Som forskningschef vid ett stort oljebolag, får du i uppgift att optimera produktionen av (mol/s) B från A i någon form av tubreaktor. Flera oönskade reaktioner, som genererar biprodukter från A och B, sker emellertid också. Några av reaktionerna är reversibla och några är icke-reversibla. Som forskare har du tillgång till en stor databas med all information som du kan behöva. Diskutera noggrant vilken information som är användbar och hur du skulle använda den för att hitta optimala driftsbetingelser. Diskutera även utformningen av tubreaktorn. (6p) b) Beskriv ingående fenomenet multipla stabila driftspunkter vid drift av en tankreaktor. Använd termer som tändning, släckning, övre stabila driftspunkter, instabil driftspunkt och så vidare i din beskrivning. (6p)

5 English version Sid 5 1 To improve octane number in gasoline, butane can be reacted with butene in a liquid phase reaction. Under the right conditions the following desired reaction takes place: C 4 H 10 + C 4 H 8 C 8 H 18 However, butene can also react with itself to form unwanted products as shown below: C 4 H 8 + C 4 H 8 C 8 H 16 These reactions can be represented as: A+ B R r = k 1 C C (wanted) R A B S = B B+ B S r k C (unwanted) a) The reaction is carried out in a liquid phase, stirred tank reactor (CSTR), which has a residence time of 1.0 min. The feed is equimolar of A and B (C A0 = C B0 = 1 mol/l). The product stream contained 0.4 mol/l of A and 0. mol/l of B. Determine the rate constants k 1 and k for these reactions. (8p) b) Using the rate constants determined in (a), design a CSTR which must process 1000 l/min of equimolar feed (C A0 = C B0 = 10 mol/l) such that the concentration of B in the product stream is 0.5 mol/l. What are the concentrations of all the other components in the product stream. (4p) An isothermal, packed bed, laboratory scale reactor is used for determining rate kinetic parameters. The particular gas phase reaction studied in this case is: A+B C It may be assumed that the kinetics is elementary. The reactor is packed with 100g of catalyst and during the experiment it was found that the outlet pressure from the reactor was 60% of the inlet pressure. Under the experimental conditions it was also found that the conversion was 70% of component A. Calculate the rate constant (k). Additional data: P 0 =0 kpa, T=500 K, F A0 =0.05 mol/min, F B0 =0.06 mol/min (1p)

6 English version Sid 6 3 Using a color indicator which shows when the concentration of A falls below 0.1 mol/l, the following scheme is devised to explore the kinetics of the decomposition of A: A feed of 0.6 mol A/l is introduced into the first of the two glass CSTRs in series, each having a volume of 400 ml. The color change occurs in the first reactor for a steady state feed rate of 10 ml/min and in the second reactor for a steady state feed rate of 50 ml/min. Find the rate equation for the decomposition of A from this information. (1p) C A0 = 0.6 mol/l v 0 = 10 ml/min or v 0 = 50 ml/min color change here 4 You are working on the moon and are thirsty. You are planning to use the irreversible, gas phase reaction H (g) + O (g) H O (g) with the reaction rate r O = k C H mol/(s m 3 ) where k = 0.01 /s at 300 C or color change here to produce water in an isothermal, semi batch tank reactor at 300 C. You are planning to use a batch procedure. Of safety reasons, the reactor is only filled with inert argon gas in the beginning with a total pressure of 1 bar. Then you feed 5 mol/s H and 5 mol mol/s O to the reactor. The gas is taken from your wrecked space ship. The reaction starts immediately as soon as the reactants have reached the reactor. You wish to reach 80% conversion of the fed hydrogen and the stop and empty the reactor. To avoid that also the reactor crash, the pressure in the reactor must not exceed 9 bar. a) Determine smallest possible reactor volume. (8 p) b) Which additional data would you need and how would you proceed to solve the problem if an adiabatic reactor would be used instead? (4p)

7 English version Sid 7 5 a) As a senior scientist at a major oil company, you are requested to optimize the production of (mol/s) B from A in some kind of tubular reactor. However, several unwanted reactions, which produce byproducts from A and B, occur as well. Some of the reactions are reversible and some are irreversible. As a scientist, you have accesses to a great database with all information you might need. Discuss thoroughly what information that would be useful and how you would use it in order to find the optimum operating conditions. Also discuss the design of the tubular reactor. (6p) b) Carefully describe the phenomena of multiple steady states in the operation of a CSTR. In your description, terms such as ignition, extinction, upper steady states, unstable steady state and so on should be used. (6p)

Relevanta dokument

Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik I Exam in Chemical Reaction Engineering I (KGT002 / KMT017 / KMT007)

2005-03-18 Sid 1(7) Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik I Exam in Chemical Reaction Engineering I (KGT002 / KMT017 / KMT007) 2005-03-18 Examinator Fredrik Jareman Lärare/Teacher: Fredrik Jareman tel: 070-9712897