化學工程 106 年高等化學反應工程學研究考古題

當流體平行流經某一平板表面時，流體中的成分A 會因平板表面的催化反應，而轉換 成B：2A Æ B。某位工程師觀察到流體的流速很慢時，A 的消耗速率與其流體中濃度 CA 成正比；而在流速很快時，消耗速率則與其濃度的平方（CA 2）成正比。所以該工 程師認為在低流速時，該化學反應是一級反應（first order），而在高流速時，該反應 是二級反應，所以結論是該化學反應的本徵反應級數與流速有關。你同意工程師的看 法嗎？是否有更合理的解釋？反應究竟是一級或二級？需論述理由。（25 分）

一液相反應A → B＋C，其反應速率式為 rB = k1CA/( 1 + k2 CA 2) 其中k1 = 5.0(mole/m3)hour-1，k2 = 10.0(m3/mole)2，進口純A 莫爾流量= 40 mole/hour， 進口A 濃度CA0 = 0.5 mole/m3。為達到85%轉化率，請設計一個最佳的連續（continuous） 反應系統，包含一或二個理想反應器，讓總反應器體積最小，則該最小總體積為何？ 需述明理由及計算過程。（25 分）

一多孔性固態觸媒催化之一次氣相反應A(g)→B(g)，其本徵反應速率(-rA) = koCA mole/g catal-hr。該反應器考慮使用球狀觸媒密度ρ = 2.0 g/cm3；反應常數ko= 2.0×10-3 liter/g catal-hr；反應物在觸媒內部有效擴散係數（effective diffusivity）D= 2.0 cm2/hr。 決定適合觸媒的直徑大小範圍，以獲得最大的催化反應速率？（25 分）

一非理想反應器經由脈衝追蹤劑（pulse tracer）實驗獲得其濃度與時間的關係如下表： 時間 t（分） 0 2.5

8.5 11 14 20 30 追蹤劑濃度 C （計量） 0.0 4.3 8.0 4.8 3.5 2.5 1.0 0.0 ㈠計算該反應器的平均駐留時間（mean residence time：τ）。（10 分） ㈡一個液相反應A→ B，其反應速率式為-rA = 0.2 CA 2（mol/min-L），進料起始濃度為 CA0 = 1 mole/L，在該反應器進行，估算其最終轉化率為何？（15 分）