化學工程 101 年化學反應工程學考古題

在一200 dm3定體積的批式反應器（Batch Reactor）中首先以70% A成分和30% N2加 壓到30 atm並在恆溫227℃下進行 + → 之反應：（20 分） 1 min 2.0 − = = − ，請計算消耗80% A 要多少時間t (min)。 k kC r A A f 若反應速率為 若反應速率為 min 0.1 3

一液相反應之反應速率可表為 ，其中X 為反應物R 的轉化率 （fractional conversion）=[(原來R 的量－反應後剩下R 的量)/原來R 的量]。有連續 攪拌反應器（continuous stirred tank reactor，CSTR）與栓流反應器（plug flow reactor，PFR）兩種反應器可供選擇。下列情況應選擇那一種，可使反應器的體積 較小？X=0.5，（5 分）X=0.8。（5 分）是否可能在某一轉化率時兩種反應 器的體積相同？（10 分）須詳述理由，否則不予計分。 1

⋅ = = − mol dm k kC r A A = ，請計算消耗80% A 要多少時間t 。 f 當時間t 時，反應混合物降溫到150℃，請計算反應器內反應混合物之壓力 (atm)。 ft f p 二、氣相反應 S R A + → 在一恆溫連續攪拌槽反應器（continuous stirred-tank reactor / CSTR） 中進行。若反應速率為 α A A kC r = − 。反應器進料濃度 ，進料體 積流率為 ；CSTR 內反應混合物體積

R )1 ( ) -( − + − = X X r 二、某工程師被指定以體積分別為V1與V2之兩個串聯的連續攪拌反應器（continuous stirred tank reactor，CSTR），以自然衰減的方式處理一輻射性液體。應如何選擇V1與 V2，使得反應器之總體積(V1+V2)為最小？（20 分）須證明陳述，否則不予計分。

3 0 / 002 .0 dm mol CA = ) / ( 0 s dm v V 。請以下表之數據求出k 與α 之值。 （20 分） Run number 1 2 3

在一批式反應器（batch reactor）內進行的液相催化反應 的反應速率-r P R → R可表為 ： R 2 R E 1 R - C k r + = 0C C k 0 ，其中k1與k2為常數， 為觸媒濃度，C 0 E C R為反應物R的濃度。提 出可能的反應機制（reaction mechanism）以解釋該反應速率。（10 分） 若C 為已知，如何由-r E R對CR的實驗數據估計k1與k2？（10 分）

為了解反應物在一連續攪拌反應器（continuous stirred tank reactor，CSTR）內，與 一栓流反應器（plug flow reactor，PFR）內之滯留情況間的差異，吾人將N0個微小、 有色的標記顆粒瞬間分別注入兩種反應器的入口，並藉顏色之深淺判斷標記顆粒之 濃度。假設流入反應器之流體的體積流率為v（升/秒），反應器的體積為V（升）， 標記顆粒之注入不影響v。分別求在CSTR（15 分）與PFR（5 分）出口處的標記顆 粒濃度隨時間的變化。

0 v V = τ , sec 0.423 5.10 13.5 44.0 192 X （A 之轉化率） 0.22 0.63 0.75 0.88 0.96 三、為了要年產量 磅（pounds）乙烯，在柱塞流反應器（plug flow reactor / PFR） 以純乙烷為進料進行恆溫（900℃）恆壓（6 atm）裂解反應。本反應為不可逆之基 本反應（elementary reaction），其反應速率常數 （T = 800℃）。本反應 之活化能

某一液相反應中，反應物R可能生成P1、P2 與P3 三種產物。假設各反應皆為一階反 應，且活化能EP1、EP2與EP3間有下列關係：EP1>EP2，且EP1<EP3。若反應在一批式反 應器（batch reactor）內進行，且P1 是所需要的產物，求最佳的反應溫度。（20 分）

10 200× 1 − s 07 .0 k = gmol cal E / 82000 = （k RT E / 0e k − = ）。若反應器出口乙烷轉化率為70%時， 此柱塞流反應器體積要多大（ ？ = PFR V ）（20 分） 101年特種考試地方政府公務人員考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面） 四、在0 ℃至150℃之液相可逆反應 R A ⇔ ，其反應平衡常數 與溫度之關係為 C K 7. 24 ) ( 987 .1 18000 ln − = K T KC 。（20 分） 請作出平衡轉化率 對溫度 e X T 之關係圖（請以5 個點作圖）。 若反應在批式反應器（Batch Reactor / BR）以恆溫操作，要達到平衡轉化率高於 75%之溫度為何（反應溫度在幾℃以上（或以下））？ 請計算T = 60℃時在批式反應器（Batch Reactor / BR）之平衡轉化率 。 e X 請計算T = 60℃時在柱塞流反應器（plug flow reactor / PFR）之平衡轉化率 。 e X 五、在一半批式反應器（Semibatch Reactor）中進行液相多重反應： 2 B A 1A 1A C C r (1) C 2B + A k = − → 2 A 3 C 2C 2C C C k r (2) D 3C + 2A = − → 反應器在開始時注入體積 的A 成分，並以B 成分莫耳流率 0 V ) ( 0 0 0 B B C v F = 緩緩注入 反應器中進行半批式反應。 為體積流率， 為進料濃度。請推導出本半批式反 應器系統描述 、 0 v 0 B C ) (t CA ) (t CB 、 、 ) (t CC ) (t CD 及 ) (t V 之動態系統公式及其起始條件。 （20 分） FB0 A