化學工程 100 年化學反應工程學考古題

對於A→R 反應，利用一含有多孔性固態觸媒的快速連續攪拌槽（CSTR）反應器進 行實驗，獲得以下穩態（steady-state）數據： τ (駐留時間:sec) CAo (進口濃度: mmole/liter) CA(出口濃度: mmole/liter) 60 100 40 35 200 80 11 200 120 20 400 160 11 400 200 其中駐留時間（residence time; τ）定義為反應器空間體積（不含觸媒體積）除以體 積流量。 ㈠根據以上數據，決定本反應之視反應方程式：-rA =ko CA n，ko =？ n =？（15 分） ㈡放大製程擬採用圓管式堆積床（packed bed）反應器，其中觸媒堆積密度 （packing density）為65%。處理量：1000 liter/hr , CAo =200 mmole/liter，轉化率： 90%。試以栓流反應器（PFR）設計預估處理所需要反應器的體積。（10 分） ㈢實際製程放大測試後發現，實際獲得的轉化率低於90％，推測說明可能的原因 為何（同時考慮反應器與觸媒的因素）？（5 分）

考慮液態分解反應： A → B rB = 1 (mol/m3-hr) A → C rC = 6 CA (mol/m3-hr) A → D rD = 9 CA 2 (mol/m3-hr) 在一理想連續攪拌反應器內進行，反應器進料成分為純A，進料濃度CAo=0.8 mol/m3 。在出口欲獲得產物C的最高產率（yield），計算該反應器的A轉化率、反應器體 積（以駐留時間τ表示）、C產率。（20 分） [反應產率（yield）的定義＝產物生成量/反應物之反應量] （請接背面） 100 年特種考試地方政府公務人員考試試題 類 科： 化學工程

可逆的一級氣相反應A↔ B ，其反應方程式為 –rA= k1CA – k2CB 其中k1 = 2×105 exp [-28 Kcal/RT] (min-1) and k2= 3.3×106 exp [-33 Kcal/RT] (min-1)，在一理想栓流反應器（PFR）進行。反應器最高操作溫度為450 ℃， 反應器進料成分為純A。 ㈠考慮在可隨意調控反應器內溫度分布的條件下，欲獲得最小反應器體積及最高反 應轉化率的考量下，應該設計入口的溫度較低於出口的溫度，或相反？說明其理 由。（10 分） ㈡承㈠，試演導出反應器內最佳的反應溫度分布與轉化率之間的關係方程式，以計 算為達90%出口轉化率，反應器進口及出口轉化率的溫度分別為何？（20 分）

考慮一固態觸媒催化之氣相反應A →B(g) A o A (g) B ，其本徵反應速率在一大氣壓，427℃為 (-r ) = k C mole/g catal-hr。該觸媒有以下的性質： -密度 ρ：2.5 g/cm3；球狀直徑d：0.3 cm； -反應常數ko= 1.0×10-3 liter/ g catal-hr； -觸媒內有效擴散係數（effective diffusivity）D：1.8 cm2/hr； -粒子表面質量擴散係數 h：2.0×104 cm/hr； 試評估觸媒催化反應是否受限於任何擴散輸送程序？觸媒實際表現之視反應速率 為何？（20 分）

液相反應 分別在一連續攪拌反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR） 與一栓流反應器（plug flow reactor, PFR）內進行。若進料是純反應物A 與B，體積 流率v 為常數，且兩個反應的反應速率常數相同，則在兩種反應器中產物B 的最高 濃度分別是多少？那一個反應器可得到較高濃度的B？（20 分） C B A → →