化學工程 104 年高等化學反應工程學考古題

一氣相反應 R B A ⎯→ ⎯ + k 分別於混流（CSTR）及栓流（PFR）反應器進行反應，流 率為100 mol/min、反應溫度為150ºC 恆溫及壓力為10 atm。反應物B 之進料濃度 為A 的3 倍，反應速率常數如下： ) (min 5. 12 5400 ln 1- + − = T k ) K : ( ° T 若於栓流反應器中的平均滯留時間（Residence Time）為3 分鐘且兩反應器之轉化 率相同，請找出兩個反應器各別的體積以及莫爾流率並比較之。（25 分）

一催化薄膜反應裝置由平行圓柱型導管組成，觸媒均勻分散於直徑2 mm 圓柱型導 管上，進行甲醇催化氧化脫氫生成氫氣提供燃料電池使用。如果此燃料電池能讓車 輛保持在平均100 km/hr 速度行駛（1 公升甲醇可行駛10 km），請計算此薄膜反應 器所需的體積為多少？（假設在500 K 溫度及甲醇分壓約0.5 大氣壓下，反應速率 是擴散限制，而其質傳係數kg 為1.5×10-5 m/s）。（20 分）

甲醇在銀觸媒表面上進行氧化反應形成甲醛，其一系列不可逆之子反應如下： O2 2Oads CH3OH+Oads CH3Oads+OHads CH3Oads HCHO+Hads Hads+OHads H2O k1 k2 k3 k4 (1) (2) (3) (4) 反應進行時，最大量之中間產物為表面甲基氧化物（CH3Oads），而速率決定步驟為 表面甲基氧化物之單分子分解反應步驟(3)。請利用穩態近似法及上述所列子反應求 出反應速率表示式。（甲醇進行吸附的步驟需要兩個活性基位，一個基位被氫原子 所占據，另一基位則被甲基氧化物所占據）（25 分）

對於一液相固態催化反應 請利用作圖方式畫出平衡狀態時的轉化率與溫度之關係。並另外找出當A 於300 K 時進入反應器後，其絕熱平衡溫度及轉化率。（30 分） 所需數據如下：

液相反應 B A ⎯→ ⎯ 在85ºC 之混流反應器（CSTR）中反應，反應器體積為0.2 m3，而 反應器使用0ºC 冷卻水，其熱交換係數（Heat Transfer Coefficient）為120 W/(m2·K)。 A 的濃度為2.0 mol/L，並在40ºC 以90 kg/min 流率流入反應器。其它所需數據如下： 溶液比熱：2 J/g·K 溶液密度：0.9 kg/dm3 反應熱：-250 J/g A 克分子量：90 g/mol 反應速率常數：1.1 min-1(40ºC), 3.4 min-1(50ºC) 求出在穩定狀態下A 與B 的濃度及熱交換器面積。（15 分） 計算出熱交換器面積（面積臨界值）低於多少時，會導致反應溫度不受控制而導 致反應器爆炸。（10 分） 104年公務人員高等考試一級暨二級考試試題 全一張 （背面）

環己烷於栓流反應器（PFR）中進行脫氫反應轉化成苯，其反應如下： +3H2 環己烷與氫氣分別以8.0 mol/s 與2.0 mol/s 流入反應器，反應速率為不可逆之一階 反應且於435ºC 及1 atm 下進行。試問要達到70%轉化率，反應器體積為多少？ （20 分）

今有一混合物由90%莫爾A(45 mol/L)和10%莫爾不純物B(5 mol/L)組成，欲獲得 滿意之品質，此混合物中A 和B 之莫爾比例必須維持於100：1 或更高，D 與A 和 B 反應如下： D B A D A A C C r C C r 147 ,S D B 21 , R D A = − ⎯→ ⎯ + = − ⎯→ ⎯ + 假設反應達到完全反應，試問需加入多少量之D 於一批次混合物中以達到所欲之品 質？（25 分）

液相反應 Products (B) Methanol + (A) Chloride Methyl Triphenyl ⎯→ ⎯ 於25ºC 的批次 反應器中進行，而使用的溶液為甲苯、吡啶以及過量的甲醇( 3 B0 dm mol 0.5 C = )。反應 對甲醇為一階反應。吡啶與鹽酸反應後會形成沉澱並且使此反應變為不可逆。三苯 甲基氯(A)與時間的關係則如下表： t(min) 0 50 100 150 200 250 300 CA(mol/dm3) 0.05 0.038 0.0306 0.0256 0.0222 0.0195 0.0174 請使用積分方式確認對於三苯甲基氯來說為二階反應。（30 分） B A ⎯→ ← 298K at 100000 K ; K cal/mol 50 C ; K cal/mol 50 C cal/mol 60000 (298K) H cal/mol 40000 (298K) H e P P B A B A = ⋅ = ⋅ = − = − = o o