化學工程 105 年高等化學反應工程學考古題

請敘述下列名詞之意涵：（每小題5 分，共25 分） 內部有效因子（Internal effectiveness factor, η） 整體有效因子（Overall effectiveness factor, Ω） 滯留反應時間分佈（Residence Time Distribution, RTD） 瞬間選擇性（Instantaneous selectivity） 失控反應（Runaway reaction）

請敘述下列名詞之意涵：（每小題5 分，共25 分） 速率決定步驟（Rate determining step） 平衡狀態（Equilibrium state） 穩定狀態（Steady state） 極限反應物（Limiting reactant） 理想混流反應器（Ideal CSTR）

已知A 與B 氣相反應物在觸媒上反應生成C 氣相產物之反應速率式為： ) P K P K /(1 P kP r C C A A B A A + + = ′ − 試建議一符合上述反應速率式之反應機構（reaction mechanism）及速率決定步驟（rate determining step），並推導反應式。（註：推導過程可給予適當假設條件）（25 分）

一總反應為A(g)+ B(g)→ C(g) + D(g)之反應，其反應機構如下： A(g) + S = A．S（正向及逆向反應速率常數分別為k1 及k-1） (1) B(g) + S = B．S（正向及逆向反應速率常數分別為k2 及k-2） (2) A．S + B．S → C(g) + D(g) + 2S（正向反應速率常數為k3） (3) 其中S 為觸媒表面活性位置（surface active sites），A．S 及B．S 分別為吸附在表面 活性位置之中間物（intermediate）。（註：推導過程可給予適當假設條件） 若反應式(3)為速率決定步驟，則反應速率 Ar′ − 為何？（15 分） 若反應式(2)為速率決定步驟，則反應速率 Ar′ − 為何？（10 分）

一氣相基本反應（Elementary gas phase reaction）如下： 2A(g) → B(g) + C(g) 以純A 反應物為進料，在無壓降及恆溫（227℃）之填充床反應器中進行反應，其 反應參數如下： = ′0 k 0.007 dm6/(mol．s．g cat.) at 27℃；反應活化能(EA) = 40 kJ/mol； v0 = 1 dm3/s；P0 = 10 atm 試計算達成60%轉化率反應所需之觸媒重量(W)。（25 分）

恆溫均勻液相反應 (A(l) → B(l)) 於栓流反應器（plug flow reactor）中進行，不考慮壓 降，此反應為二階反應（second-order），當轉化率為50%時，試計算所需反應器體積 (V)，其條件為：k = 3.0 dm3/(mol．s)；CA0 = 2.0 mol/dm3；v0 = 2.0 dm3/s。（25 分）

試以圖式說明如何透過串級（in series）連續式絕熱反應器，將下列平衡反應之轉化 率提昇。 放熱反應（exothermic reaction）。（15 分） 吸熱反應（endothermic reaction）。（10 分）

一階（first-order）異相反應（heterogeneous reaction）A(l) → C(l)（反應速率常數為k） 在恆溫之批次反應器（batch reactor）中進行，此反應器中之觸媒活性以指數函數 （exponential function）的方式進行衰退（decay），可以下式表示： a = exp(-kdt)其中a 為觸媒活性，kd 為觸媒衰退常數。 試推導其轉化率（conversion）隨時間之變化關係。（25 分）