Chemical Engineering - Chemical Reaction Engineering and Applied Chemical Kinetics

Full exam

CRE – 03.02.15 - Exam C 096116 Chemical Reaction Engineering 3 February 2015 Family name _________________________________________________ First name _________________________________________________ ID number _________________________________________________ Signature _________________________________________________ Please, consider that the sum of percentages of proposed exercises (4) is equal to 110%. This means that the maximum mark you can reach is 33. Remember to write on the top of each sheet you submit: your name, ID number, and signature. Use of mobile phones and internet connection is not allowed . 1. Adiabatic CSTR with reversible, exothermic reaction (40%) The elementary, exothermic, reversible gas phase reaction ������������→2������������ ������������=������������������������� ������������−������������ ������������2 ������������������������������������� has to be carried out adiabatically. Pure A is fed at a rate of ������������ ������������0= 3 ������������������������������������/������������������������������������, temperature of ������������ 0=100°������������ , and concentration of ������������ ������������0= 0.03 ������������������������������������/������������. The equilibrium constant is a weak decreasing function of temperature, but, for simplicity, we assume it constant : ������������������������������������ =25∙10 −3 ������������������������������������ ������������ a) What is the adiabatic equilibrium temperature and conversion? b) If you know that the kinetic constant (measured in min -1) is a function of temperature (measured in K): ������������=24 ������������ −2100 ������������ what is the CSTR volume necessary to achieve 80% of the adiabatic equilibrium conversion? Reaction heat at 100°C Specific heats ∆������������� ������������= −3500 cal /mol ������������������������������������� = 5 cal /mol /°C ������������������������������������� = 2.5 cal /mol /°C 2. Isothermal catalytic reactor without diffusion limitations (30%) The catalytic reaction ������������→������������ to be carried out in a flow reaction system (PFR and/or CSTR) has the following rate law: ������������= ������������������������������������ (1+������������������������������������������������)2 1 CRE – 03.02.15 - Exam C where ������������= 1 ������������������������������������ −1 and ������������������������= 1.5 @I 7/IKH . The entering concentration of A is ������������������������0= 1.5 IKH /@I 7 and the entering molar flow rate of A is ������������̇ ������������0= 2 ������������������������������������/������������������������������������. Both external and internal diffusion limitations can be neglected. What type of reactor or combination of reactors (PFR and/or CSTR) would have the smallest volume to: a) achieve 55.5% conversion? b) achieve 80% conversion? In both cases, which are the required volumes of reactors? Suggestion: use the Levenspiel’s plot to easily recognize the best reactor or combination of reactors . 3. Analysis of experimental data (20%) You are carrying out experimental measurements in a constant volume batch reactor in order to determine the kinetic constant ������������ and the reaction order ������������ of the following n-th order reaction: ������������→������������ a) ������������=1 ������������ ������������������������������������ ������������������������������������ and ������������=2 b) ������������=1.2 ������������0.8 ������������������������������������ 0.8 ������������������������������������ and ������������=1.8 Please, justify your choice, also on a quantitative basis. Exp. point ������������������������������������ [������������������������������������ ������������ ] ������������������������ [������������������������������������ ������������ ] ������������ [������������������������������������ ] 1 2 0.722349 1 2 2 0.24669 4 3 3 0.793726 1 4 3 0.250849 4 5 3 0.162131 7 6 4 0.332699 3 4. Heterogeneous conversion of methanol (20%) The heterogeneous conversion of methanol into formaldehyde can be described through the following, pseudo- homogeneous reaction mechanism: ������������������������ 3������������������������+1 2 ������������2→ ������������������������ 2������������+������������ 2������������ ������������������������ 2������������+1 2 ������������2→ ������������������������+������������ 2������������ which is usually carried out in a methanol/air mixture. Answer to the following questions, properly justifying each point . a) If the reaction is carried out in stoichiometric conditions, which would be the composition of the inlet flow? b) In which conditions is the process actually carried out, and why? c) Describe and justify with qualitative plots, the trend of the main variables (conversion, selectivity, gas-phase and solid -phase temperature) by varying methanol/air ratio. 2