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

Transkript

1 Sid 1(7) Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik I Exam in Chemical Reaction Engineering I (KGT002 / KMT017 / KMT007) Examinator Fredrik Jareman Lärare/Teacher: Fredrik Jareman tel: Läraren besöker salen kl. 10 och kl. 12. Teacher will visit at 10 and 12. Tid/Time: Resultatet anslås/result will be announced : ntalet uppgifter/number of questions: 5 Maxpoäng/Maximum score: 60 För godkänt krävs/to pass: 30 Betyg: Marks: Poäng Score Betyg Mark Tillåtna hjälpmedel: llowed aids: Beta Mathematics Handbook or integral tables (appendix in exam). Eventual integrals not found in these tables may be solved graphically. Formelsamling (bilaga i tentamen) Formula Sheet (appendix to exam). Fysikalia, Tabell och Formelsamling i Fysik. Räknedosa/Calculator. Russian/English dictionary 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. lla symboler som använts i uppgifterna är definierade som i Foglers bok och formelsamlingen. ll symbols that are used are defined as in Foglers book and the formula sheet. Skriv SVR: följt av svaret på respektive uppgift/deluppgift. Write nswer: followed by the answer of respective question/part of question. Svara på svenska eller engelska. nswer in swedish or english.

2 Swedish version Sid 2(7) 1: Den katalytiska reaktionen B ska utföras i ett reaktorsystem med flödesreaktorer och har följande uttryck för reaktionshastigheten, kc r = ( 1+ K ) 2 C där k = 1 min -1 K = 1 dm 3 /mol Koncentrationen av in i reaktorn är 2 mol/dm 3. Vilken typ av reaktor eller kombination av reaktorer skulle ge den minsta volymen om a) 50% omsättningsgrad eftersträvas? (6 p) b) 80% omsättningsgrad eftersträvas? (6 p) 2: Den icke reversibla elementära gasfas reaktionen 2 B + C utförs för tillfället i en packad bädd reaktor innehållande 100 kg katalysator. Trycket på feeden är 20 atm och trycket ut från reaktorn är 4 atm. För närvarande erhålles 50 % omsättningsgrad över reaktorn. Företagsledningen önskar dock att omsättningsgraden ökar, ett förslag för att öka omsättningsgraden är att lägga till en CSTR med 200 kg katalysator efter den packade bädd reaktorn. Det kan antas att det inte är något tryckfall över CSTR-en samt att flödet och temperaturen är de samma som i den packade bädd reaktorn. a) Vilken total omsättningsgrad skulle erhållas i ett sådant system? (8p) b) Finns det ett bättre sätt att utföra reaktionen, och i så fall hur? (4p) Nuvarande P0 = 20 P = 4 Föreslaget P0 = 20 P = KG X =?

3 Swedish version Sid 3(7) 3: Följande reaktioner sker i en reaktor där komponent B är den önskade produkten B X +X Y 2 -r 1= k1c -r 2 = k 2 C -r 3 = k 3 C C X Komponenterna X och Y är båda oönskade a) Vad är selektiviteten av B i förhållande till både X och Y baserat på reaktionshastigheterna (instantanous selectivity)? (3 p) b) Diskutera noggrant hur skulle du utföra reaktionen för att maximera bildandet av komponent B? Diskussionen skall innehålla parametrar såsom val och storlek av reaktor reaktorbetingelser och så vidare. (9 p) Ytterliggare information k 1 = 0.5 e 10,000/T min 1, T i grader Kelvin k 2 = 50 e 20,000/T min 1, T i grader Kelvin k 3 = 100 e 5,000/T min 1, T i grader Kelvin 4: Tillverkningen av metanol är baserad på reaktionen mellan CO 2 och H 2 : CO 2 + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O CO 2 och H 2 tillförs i stökiometriska proportioner till processen, denna ström innehåller även 0.5 vol.% inert gas. 60% av CO 2 och H 2 omvandlas i reaktorn till CH 3 OH. Koncentrationen av inert gas i ingående ström till reaktorn är 2 vol%. Process: CO 2 H 2 I F B C Reactor Separator CH 3 OH, H 2 O R CO 2 H 2 I D P CO 2 H 2 I Beräkna mängden gas som recirkuleras (i mol) per mol färsk feed samt mängden (i mol) som släpps ut från systemet (P) per mol färsk feed. (12 p)

4 Swedish version Sid 4(7) 5: Den syra-katalyserade, irreversibla, vätskefasreaktionen B utförs i en adiabatisk CSTR. Reaktionen är av 2:a ordningen med avseende på. Feeden, som består av ekvimolära flöden av vatten (vilket innehåller katalysatorn) och, håller en temperatur av 52 C och ett volumetriskt flöde av 10 dm 3 /min. Koncentrationen av i feeden är 4 mol/ dm 3. a) Vilken reaktorvolym krävs för att uppnå 80% omsättningsgrad? (6 p) b) Vilken omsättningsgrad kan erhållas i en 1000 dm 3 CSTR? Vad blir temperaturen på strömmen ut från reaktorn? (Det är tillåtet att lösa b)-delen grafiskt) (6 p) Kompletterande information H Rx = J/mol C pw = 75 J/mol C p = 63 J/mol C pb = 63 J/mol E = J/mol k = s -1 vid 25ºC

5 English version Sid 5(7) 1: 2: The catalytic reaction B to be carried out in a flow reaction system has the following rate law, kc r = ( 1+ K ) 2 C where k = 1 min 1 K = 1 dm 3 /mol The entering concentration of is 2 mol/dm 3. What type of reactor or combination of reactors would have the smallest volume to a) achieve 50% conversion? b) achieve 80% conversion? The irreversible elementary gas phase reaction 2 B + C is currently carried out in a packed bed reactor containing 100 kg of catalyst. The entering pressure is 20 atm and the exit pressure is 4 atm. Currently 50% conversion is achieved. It is proposed to add a CSTR with 200 Kg of catalyst downstream of the PBR. There is no pressure drop in the CSTR. The flow rate and temperature remain unchanged. a) What would be the overall conversion in such an arrangement? b) Is there a better way to carry out the reaction, and if so what is it? Current P 0 = 20 P = 4 Proposed P0 = 20 P = KG X =?

6 English version Sid 6(7) 3: The following reactions were found to occur while trying to make the desired product B 2 B -r 1= k1c X -r 2 = k 2 C +X Y -r 3 = k 3 C C X Species X and Y are both foul pollutants a) What is the instantaneous selectivity (based on reaktionrates) of B with respect to the foul pollutants X and Y? (3 p) b) Discuss thoroughly how you would carry out this reaction to maximize the formation of B? The discussion should contain parameters such as type and size of reactor. The operating conditions should also be considered. (9 p) dditional Information k 1 = 0.5 e 10,000/T min 1, T in degrees Kelvin k 2 = 50 e 20,000/T min 1, T in degrees Kelvin k 3 = 100 e 5,000/T min 1, T in degrees Kelvin 4: Methanol synthesis is based on the reaction between CO 2 and H 2 : CO 2 + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O CO 2 and H 2 are fed stoichiometrically to the process and the feed also contain 0.5 vol.% inert gas. 60% of CO 2 and H 2 are converted in the reactor to CH 3 OH. The concentration of inert in the reactor feed is 2 vol%. Process: CO 2 H 2 I F B C Reactor Separator CH 3 OH, H 2 O R CO 2 H 2 I D P CO 2 H 2 I Calculate the amount of mol gas recycled per mol fresh feed and the amount of mol gas purged per mol fresh feed. (12 p)

7 English version Sid 7(7) 5: The acid catalyzed irreversible liquid phase reaction B is carried out adiabatically in a CSTR. The reaction is second order in. The feed, which is equal molar in water (which contains the catalyst) and, enters the reactor at a temperature of 52 C and a total volumetric flow rate of 10 dm 3 /min. The concentration of entering the reactor is 4 molar. a) What is the reactor volume to achieve 80% conversion (6 p) b) What conversion can be achieved in a 1000 dm 3 CSTR? What is the exit temperature? (It is ok to solve part b) graphically) (6 p) dditional information H Rx = J/mol C pw = 75 J/mol C p = 63 J/mol C pb = 63 J/mol E = J/mol k = s -1 at 25ºC