化學工程 102 年化學反應工程學考古題

今有一催化反應 A→B 在流動系統中以下列速率反應式進行反應：

A A A A ) C K (1 kC r + = − 其中 1 min 1 k − = ， mol / dm 1 K

A = 。 當進料A 濃度為2 mol/dm3，甚麼類型的反應器或反應器組合會有最小體積？ （每小題10 分，共20 分） ㈠達50%轉化率。 ㈡達80%轉化率。 二、A 發生下列反應生產所要之產物B，A 也會反應產生X 和Y，X 和Y 皆為不要的 產物。（T 為絕對溫度，單位為K）（每小題10 分，共20 分） 2 A 1A A1 C k r B A = − → A 2A A2 C k r X A = − → X A 3A A3 C C k r Y X A = − → + 其中： ) (min e 5.0 k 1 10,000/T - 1A − = ) (min e 50 k 1 20,000/T - 2A − = ) (min e 100 k 1 5,000/T - 3A − = ㈠求B 對不要的產物X 和Y 的瞬間選擇率為多少？ ㈡若要得最大量的B，應如何進行此反應？ 102年特種考試地方政府公務人員考試試題 類 科： 化學工程 三、有一不可逆基本（elementary）氣相反應 C B A 2 + → 含100 kg 觸媒在填充床反應器中進行反應。進口壓力為20 atm，出口壓力為4 atm， 轉化率達50%。今加入含有200 kg 觸媒的連續攪拌反應器，且放置於填充床反應器 後端。連續攪拌反應器沒有壓力降、流率與溫度均不變。（每小題10 分，共20 分） ㈠加入連續攪拌反應器後的最終轉化率。 ㈡有沒有更好的方法進行此反應，請說明。

有一恆溫氣相不可逆基本反應 C B A → + A 的進料流率為10 mol/min，A 和B 為等莫耳流率，A 的進料濃度為0.4 mol/dm3。 （每小題10 分，共20 分） ㈠若在連續攪拌反應器中進行反應，欲達轉化率90%所需要的反應器體積為多少？ ㈡若在栓流流體反應器中進行反應，欲達轉化率90%所需要的反應器體積為多少？ min /mol dm 2 k 3 ⋅ = K 500 T0 =

A 和B 反應生成C、D 和E，反應發生在填充床反應器中，觸媒沒有衰變且反應為 基本反應。可得到以下分布圖，X 是轉化率，T 是溫度，W 是觸媒重量。 請回答下列敘述是正確或錯誤，並解釋原因。（必須回答原因才給分數。） （每小題5 分，共20 分） ㈠從分布圖可得知此系統為絕熱，且若加入惰性物質會增加轉化率。 ㈡從分布圖可得知此系統若減少流率會增加轉化率。 ㈢從分布圖無法得知此系統若進料溫度增加，轉化率會上升或下降。 ㈣從分布圖可得知此系統有熱交換器，且熱量流率為 K s kg kJ 500) T ( dW dQ − = 0 X .4 W 500 T W

N2 25 （b） H2 75 Ar 0.1 NH3 0 （a） 三、在半導體製程中，矽薄膜（silicon film）是由二氯甲矽烷（SiH2Cl2）在平面基板形 成，其反應式為SiH2Cl2→Si+2HCl，r=k''Csilane，矽密度（ρsi）為3 g/cm3，分子 量（Msi）為32 g/mole，二氯甲矽烷濃度為0.02 mole/cm3。 ㈠請用ρsi，Msi，k''和Csilane 物理參數，列出薄膜成長厚度和時間的關係式。（10 分） ㈡假設在此系統質傳速率很快，不會影響反應速率，當此反應速率常數為 k''=2×102 cm/sec 時，請問薄膜成長0.01 cm 厚度需要多少時間？（10 分） 迴流 進料 入料 氨合成反應器 分離器 出料 氨 其他物質 1 2 3 4 5 6 7 102年公務人員升官等考試、102年關務人員升官等考試 102年交通事業郵政、港務、公路人員升資考試試題 等別(級)： 薦任 類科(別)： 化學工程 四、假設反應 B A → 為不可逆觸媒反應，此反應在固定床反應器進行，其空隙度（ε）為 0.3，試求： ㈠當反應物Ａ濃度為1 mole/liter 時，測得反應速率為1×10-2 mole/（liter．sec）； 濃度為0.5 mole/liter 時，測得反應速率為2.5×10-3 mole/（liter．sec），請列出反 應速率式。（10 分） ㈡當此反應器操作在入口流量為100 liter/sec，反應物A 為2 mole/liter 及轉化率為 90%時，試求其反應器體積。（10 分） 五、氨和環氧乙烷反應是屬於系列反應（series reaction），反應為二次反應，其反應式 如下： ) OH H N(C O H C ) OH H NH(C ) OH H NH(C O H C OH H C NH OH H C NH O H C NH 3 4 2 k 4 2 2 4 2 2 4 2 k 4 2 4 2 2 4 2 2 k 4 2 3 3 2 1 ⎯→ ⎯ + ⎯→ ⎯ + ⎯→ ⎯ + 試問如何利用實驗數據才能求得反應速率常數（k1 和k2）？請列出反應式計算過程。 （20 分）