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：

何謂反應活化能？其值為⑴正、⑵負或⑶有時正有時負，請說明。（10 分） 在溫度範圍20℃~100℃，當活化能為15 kcal/mole 時，請問提昇10℃，可提昇反 應速率約幾倍？（10 分）

對某一恆溫（isothermal）、基本（elementary）、不可逆（irreversible）之液相反 應A＋B → C＋D，設計在穩定狀態（steady state）下，一串聯之理想栓流反應器 [plug flow reactor（PFR(1)）]與接續之連續攪拌反應器[continuous stirred tank reactor （CSTR(2)）]。此反應系統中：CA0 = A 在PFR (1)進料中之莫耳濃度（0.01 mol/L）、 CB0 = B 在PFR(1)進料中之莫耳濃度（1 mol/L）、v0 = 在PFR(1)進料中之體積流率 （1 L/s）、FA1 = A 在PFR(1)出口之莫耳流率（0.005 mol/s）、XA2 = A 在CSTR(2)出 口之轉化率（0.8）、k = 反應速率常數（0.01 L/mol-s）。請決定此反應系統中 PFR(1)與CSTR(2)的體積。（20 分）

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

氨產量是世界第二大的化學製品，因為氨是生產尿素的原料，故全球產量大部分用 來生產肥料（氮肥），其合成反應式為N2 + 3H2 Î 2NH3，製程如下圖： 假設進料為氮25 莫耳，氫氣為75 莫耳，氬氣0.1 莫耳和0 莫耳氨，在反應器內反 應轉化率為10%，在入料時氬氣（Ar）量為氮氣的2 mole%，在穩定操作下請問在 下表中（a）和（b）的數量為何？（20 分） 種類 1 2

下列反應機構被用來描述某一恆溫（isothermal）、可逆（reversible）之氣-固相觸 媒反應A B： 吸附（Adsorption）：A(g)＋S → 1 k A。S （slowest） 表面反應（Surface reaction）：A。S → 2 k B。S 脫附（Desorption）：B。S → 3 k B(g)＋S 其中k1、k2 與k3 分別為吸附速率常數、表面反應速率常數與脫附速率常數，S 為觸 媒表面之活性中心（surface active center）。假設吸附在觸媒表面之A（A。S）與 B（B。S）的濃度可藉由擬穩定狀態（pseudo-steady state）來估算，請推導其反 應速率式（rate expression, - ′ Ar ）。（20 分）

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） 達50%轉化率。 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 − = 求B 對不要的產物X 和Y 的瞬間選擇率為多少？ 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 全一張 （背面） 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） 加入連續攪拌反應器後的最終轉化率。 有沒有更好的方法進行此反應，請說明。

在水溶液中進行批式（batch）、恆溫皂化（isothermal saponification）反應如下所示： CH3COOC2H5＋NaOH → k CH3COONa＋C2H5OH 其中k =反應速率常數。當時間t = 0 時，反應物濃度為[CH3COOC2H5] = [NaOH] = 0.01 mol/L。另外，[NaOH]對時間之實驗數據如下所示： t（min） 0 10 20 30 [NaOH]（mol/L） 1×10-2 6.67×10-3 5×10-3 4×10-3 請決定其反應級數（reaction order）和k。（20 分） 102年公務人員高等考試三級考試試題 全一張 （背面）

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） 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？ 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 =

在一恆溫（isothermal）、穩定狀態（steady state）狀況下，在一理想連續攪拌反應 器（CSTR）中進行的競爭型液相反應如下所示： A＋B → 1 k R（產物） min - mol/L C C k /dt dC 0.3 B A 1 R = A＋B → 2 k S（副產物） min - mol/L C C k /dt dC 1.8 B 0.5 A 2 S = 若FA0（A在其純進料中之莫耳流率( molar flow rate )）= FB0（B 在其純進料中之莫耳流率）、 CA0（A 在其純進料中之莫耳濃度）= CB0（B 在其純進料中之莫耳濃度）= 20 mol/L、k1 與k2 分別為其所對應之反應速率常數（k1 = 10 k2）、XA（A 在反應器中之轉化率）= XB（B 在反應器中之轉化率）= 0.9，則副產物S 在反應器出口之莫耳分率為何？（20 分）

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） 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。 從分布圖可得知此系統若減少流率會增加轉化率。 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。 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 ( 1000 dW dQ − = 0 X .4 W 500 T W

對某一非恆溫（non-isothermal）、絕熱（adiabatic）、基本（elementary）、可逆 （reversible）之氣相反應A k1 k-1 B（k1 與k -1 分別為正反應速率常數與逆反應速率 常數）在一壓力降（pressure drop）可忽略之理想栓流反應器（PFR）中進行，其進料 為純物質A。請藉由下列通用型能量平衡方程式（general energy balance equation） 以及其它反應工程基礎知識來推導計算栓流反應器體積所需要的方程式： ( ) ( ) ( ) [ ] 0 X F T T ∆C T ∆H T T F Q A0 R p R 0 RX i0 pi i A0 C Θ = − + − − − ∑ & 其中Q& =由環境至反應系統之熱傳速率、FA0 = A 在反應器進料中之莫耳流率（molar flow rate）、Θi = Fi0/FA0（分子i = A 或B）、Cpi = 分子i 之平均比熱（mean heat capacity）、T = 反應溫度、Ti0 = 分子i 進入反應器之溫度、 ( ) R 0 RX T ∆H = 在參考 溫度TR 下之反應熱、∆Cp = CpB－CpA、X = A 之轉化率。（20 分）

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。 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） 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 全一張 （背面） 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： 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） 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）