化學工程 102 年高等化學反應工程學考古題

藉由一氧化碳（CO）與氫氣（H2）之合成氣反應可生成氨氣、甲醇及含氧化物。 當使用天然氣（假設是100% CH4）的反應步驟，接著其他反應步驟如下： 重整反應： CH4 + H2O CO + 3H2 水轉移反應： CO + H2O CO2 + H2 通常積碳亦會在重整反應觸媒表面產生：2CO C + CO2 如果蒸氣對天然氣的進料比為5：1，而重整反應之操作條件為790℃ 及3 atm。在此 溫度下，重整反應、水轉移反應及積碳反應之Kp 值分別為128、1 及0.17。 假使符合理想氣體理論及忽略積碳反應，請計算離開重整反應器之平衡氣體成分。 （20 分） 請說明在此狀況下，積碳反應會不會發生？（5 分）

兩反應物溶液流進一混流反應器（MFR），再經過一栓塞流反應器（PFR），其反 應式為： S R B A + ⎯→ ⎯ + 今以超過量之B 參與反應使A 成為虛擬一次反應速率。而在增加產物的方式當中， 其中之一為將此兩反應器之順序對調。試問此種改變對轉化率之影響為何？（20 分）

己烷可在常壓下進行脫氫反應生成苯：C6H14 C6H6 + 4H2 在不考慮其它反應發生，請由下列所提供之參數，估算出己烷生成苯轉化率達到 95%之最低反應溫度。（25 分） 苯及己烷在不同溫度之標準自由能（kcal/mole） 100oC 400℃ 800℃ 苯 33.5 45.5 62.7 己烷 9.7 53.1 114

乙炔於氣相中之聚合反應之反應速率為二次反應速率，在550℃和1 atm 反應1 秒 後，乙炔轉化成四聚合物之轉化率為0.009。 4 2 2 2 2 ) H C ( H C 4 ⎯→ ⎯ 一裝置由5 個相同管爐組成，每一管爐長3.5 m，管爐內由內徑5 mm 之47 個相同 長度管子所組成，此5 管爐並聯操作，進料氣體為20 atm，反應溫度550℃。總氣體之 進料速率於20 atm 及550℃時為1000 m3/hr，進料氣體含80%體積之乙炔及20%體 積之惰性氣體。忽略此系統中之壓力降及假設理想氣體理論，計算整個工廠生成四 聚合物之速率，以公斤/小時表示。（30 分）

銀觸媒進行CO 氧化成CO2 的氧化反應，其反應物CO、O2 與產物CO2 均吸附在觸 媒表面且O2 會解離。 請利用表面吸附動力模式寫出此反應之反應速率式。（10 分） 請說明反應速率與O2 分壓之變化關係。（5 分） 請說明反應速率與CO2 分壓之變化關係。（5 分）

設計一反應器將氯氣和乙烯反應合成氯乙烯 HCl Cl H C Cl H C 3 2 1 k 2

正丁烷在高壓絕熱之催化反應生成異丁烷之基本反應式如下： n-C4H10 i-C4H10 如果在反應溫度360K 及進料溫度為330K，其反應速率為31 h-1。 反應熱（△Hr0）：-6900 J/mole of n-C4H10 活化能（E）：65.7 kJ/mole 平衡常數K：3.03 (60℃) 起始濃度 10 4H C n C − ：9.3 kmol/m3 在70% 轉化率及163 kmol/h 之產率下，請計算所需柱塞流式反應器（PFR）之 體積。（10 分） 如果轉化率降低至40%，請問使用PFR 或攪拌式反應器（CSTR），那一種反應 器比較好？（10 分） 請說明此同分異構反應之轉化率可否超過75%？（10 分） → ← → ← → ← → ← → ← -

2 + ⎯→ ⎯ + 而為使此反應所產生的副產物最小化 2 2 2 2 k2 2 4 2 H Cl H C Cl H C + ⎯→ ⎯ + 將操作溫度控制在320℃-380℃之間，所產生副產物的反應可以被忽略，並為使多 重置換性產物的形成達最小，乙烯/氯氣的進料比例控制在50：1，此反應的擬一階 反應速率常數如下： 溫度（℃） 320 340 360 380 k1(Sec-1) 2.23 6.73 14.3 32.6 其中假設反應物和產物的熱含量和溫度並無關係，而標準熱焓的變化在25℃時 為-23 K cal/g； Cp（cal/g mol °K） Ethylene 17.10 Chlorine 8.74 HCl 7.07 Vinyl Chloride 10.01 請計算利用恆溫PFR 進行反應，當操作溫度為320℃，氯氣轉化率為50%之滯留時 間。（PFR 反應條件在1 atm 下，且理想氣體誤差及體積隨熱膨脹變化可以忽略。） （30 分） 102年公務人員高等考試一級暨二級考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面） 四、對酵素反應而言；反應物（S）+酵素→產物+酵素；其反應動力學方程式為： [S] K [S] V dt d[S] V m max + = = V = 在時間t 之反應速率[moles of S/ (liter)(minute)] S = 在時間t 反應物S 之濃度(mole/liter) t = 時間(minute) Vmax = 最大反應速率[moles of S/ (liter)(minute)] Km = 平衡常數(equilibrium constant, moles/liter) 請利用下表數據求出Vmax 和Km。（20 分） Time（hrs） 0 1 2 3 4

9 10 S 濃度 （millimoles/l） 1.0 0.84 0.68 0.53 0.38 0.27 0.16 0.09 0.04 0.018 0.006