化學工程 106 年化學反應工程學考古題

以純反應物進入栓流反應器（plug flow reactor）內進行可逆放熱反應，反應器外以 冷媒進行冷卻，冷媒溫度恆定為TC。請分別就溫度（T）對反應器體積（V），與 轉化率（X）對體積（V）作略圖。前圖稱為圖一，後圖稱為圖二。在圖一中繪出 反應器內、外溫度隨體積的變化，在圖二中繪出轉化率（X）與相對應的理論平衡 時轉化率（Xe）隨體積的變化。解釋此兩圖（四曲線）的成因，若無解釋不予計 分。（7 分） 同小題，但進行可逆吸熱反應，以熱媒進行加熱，熱媒溫度恆定為TH，作圖並 解釋其原因，若無解釋不予計分。（7 分） 同小題，但採用絕熱栓流反應器，作圖並解釋其原因，若無解釋不予計分。（6 分）

一液相反應A → B＋C，其反應速率式為 -rA = CA/(0.2 + CA) mol/liter-min 其中進口流量= 10 liter/min，進口A 濃度CA0 = 1.0 mol/liter。為達到90%轉化率，請 設計一個反應系統，包含二個理想連續攪拌反應器（CSTR），讓總反應器體積最小， 並請計算各個連續攪拌反應器的體積。（25 分）

液相化學反應A → 2B，在恆溫連續流動反應器（Continuous-flow reactor）下進行反應， 試計算以連續攪拌反應器（Continuously stirred tank reactor, CSTR）及栓流反應器 （Plug flow reactor, PFR）。反應速率式為：-rA = k CA，其中k 為0.001 s-1，以純A 進 料，A 之進口莫耳流率為3 mol/h，進口體積流率為3.6 dm3/h。假設反應過程中，體 積流率維持不變。 試建立此連續流動反應器之計量表（Stoichiometric table），並找出A 濃度與其轉化 率之關係。（10 分） 以連續攪拌反應器（CSTR），試計算A 轉化率達98%時，所需要之反應器體積。 （5 分） 以栓流反應器（PFR），試計算A 轉化率達98%時，所需要之反應器體積。（5 分）

純A 在一密閉反應器中進行恆溫定壓的氣相基本反應（elementary reaction）A→2B， 反應控制在100℃與10 atm，反應器的體積隨反應時間變化如下： 時間, min 0 1

對於下列之氣相反應 2H2S(g)+ O2(g)→ 2H2O(g)+ S2(g) 在一燃燒器反應器進行。氣體進口速度為1.0 kmole/min，其中包含90% H2S、10% N2 及符合反應計量比之空氣，進口溫度為40℃。假設在絕熱環境下進行完全反應（100% 轉化率），計算反應器之出口溫度。（25 分） 假設理想氣體及定比熱（Cp）： H2S O2 N2 S2 H2O Cp（cal/mole-oC） 8.5 7.3 7.1 8.3 8.3 ΔHf（生成熱Kcal/mole） -4.8 -- -- 31.3 -57.8

流動反應器進行一非均勻相反應（Heterogeneous reaction），進口莫耳流率為200 mol/min， 所得的反應數據如下圖： 若A 轉化率達30%，試計算所需CSTR 及PFR 之觸媒量為何？（10 分） 所需之CSTR 及PFR 觸媒量相等時，轉化率為多少？。（10 分）

5 7 9 V/V0 1.00 1.19 1.47 1.65 1.77 1.85 若使用栓流反應器（plug flow reactor）在100℃與10 atm 下進行此反應，以10 gmol/min 的純A 進料，需要多大的反應器才能達到90%的轉化率？（16 分） 如果中的條件改為在120℃與15 atm 進行反應，20 gmol/min 的進料含40% A 與 60%惰性氣體，是否也可估算反應器體積？請列理由。（4 分） 三、一個每邊兩公尺的立方體反應器裡，濕度必須控制在100 ppm 以下。進料前擬以內 直徑2 公分的管子通入乾空氣，以便排除反應器內原有的水氣，氣體也以內直徑2 公分的管子排出。乾空氣流量為10 liter/sec。假設整個操作條件是20℃一大氣壓， 反應器內原有氣體是含50%相對濕度的空氣。 請估計需時多久才能符合要求？（20℃的飽和蒸汽壓為17.5 mmHg）（14 分） 列出計算時所下的假設。（3 分） 實際需要的時間應比估計多還是少？理由為何？（3 分） 106年特種考試地方政府公務人員考試試題 全一張 （背面） 等 別： 三等考試 類 科： 化學工程 科 目： 化學反應工程學

一個液體均相反應生成標定的產物R： A + B→ R……（1） 在過量A 的濃度反應條件下，其反應速率式可視為遵循一次反應：r1= k1 CB 反應過程中一副反應同時發生 2B → S + T……（2） 其反應速率式r2 = k2 CB 2 其中k2/k1 = 1.5 B 的入口濃度為 6 mole/liter，入口A 濃度為過量，可視為一定值，預期出口B 的轉 化率為90%。 假設使用栓流反應器（PFR），出口R 的濃度為（mole/liter）？（15 分） 假設使用連續攪拌反應器（CSTR），出口R 的濃度為（mole/liter）？（10 分） 106年公務、關務人員升官等考試、106年交通 事業鐵路、公路、港務人員升資考試試題 代號：26530 全一張 （背面） 等 級： 薦任 類科（別）： 化學工程 科 目： 化學反應工程學

有一液相不可逆反應：2A → B + C，以連續攪拌反應器（CSTR）進行反應，改變進 口體積流率（v0），已知純成分A 之進口濃度為4 mol/dm3，在穩定（steady state）條 件下，獲得空間時間（Space time, τ = V/v0）與出口濃度之關係如下： Run 1 2 3

反應物A 裂解時，可能遵循以下反應機制（mechanism），其中B‧與D‧為自由基： 起始步驟 A →B‧+ C 繁衍步驟 B‧→D‧+ E D‧+ A→F + B‧ 終止步驟 2B‧→G + H 在一個連續攪拌反應器中（continuous stirred-tank reactor）進行反應，得以下數據： A 的濃度（gmol/m3） A 的反應速率（gmol/(m3.ksec)） 0.1 1.10 0.2 1.56 0.5 2.47 0.8 3.11 根據反應機制，反應速率表達式應為何？（13 分） 做何假設可使反應機制符合實驗數據？請評估此假設的合理性。（3 分） 反應階次（reaction order）與表觀（apparent）反應速率常數各為何？（4 分）

對於一觸媒催化反應A → B 遵循下列之反應機制 A + S ↔ A⋅S 平衡常數ke A⋅S → B + S 反應常數k3 其中S 為觸媒。第一步驟可視為在平衡的狀態，第二步驟為速率決定步驟。 證明B 的生成速率可以下列方程式表示： rB = k3 [S]o[A]/([A] + K)，其中[S]o 為觸媒總量，K 為一常數。（10 分） 根據下列批次反應器（batch reactor）數據計算K 與k3 [S]o。（15 分） 時間（分鐘） 0 20 100 [A] 莫爾/升 0.02 0.016 0.005

在一個連續攪拌反應器中（continuous stirred-tank reactor）A 與B 反應成C，此為氣 相基本反應（elementary reaction），對A 的反應速率常數kA 為0.04 liter/gmol/min： A + 0.5B →C 進料中包含50 mol% A、40 mol% B 及10 mol%惰性氣體，進口處總流量為 5.0 gmol/min，體積流率是2.0 liter/min。若要反應到50 mol% C，恆溫操作下反應器 體積為何？（20 分）

τ（min） 15 38 100 300 1200 CA（mol/dm3） 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 試求出此反應之反應速率式（15 分）及速率常數。（5 分） 60 50 40 30 20 10 .2 .4 .6 .8 1.0 Conversion, X (kg catalyst) FAB -r A 106年公務人員高等考試三級考試試題 全一張 （背面） 類 科：化學工程 科 目：化學反應工程學 四、下列液相反應，以連續攪拌反應器（CSTR），於375 K 進行反應， 3A → 2B + C -r1A = k1ACA k1A = 10.0 min-1 2C + A → 3D r2D = k2DCACC 2 k2D = 5.0 dm6/(mol2．min) D + C → 3E r3E = k3ECCCD k3E = 2.0 dm3/(mol．min) 反應器出口各參與反應物種之濃度分別為：CA =1.0 mol/dm3；CB = 0.5 mol/dm3； CC = 1.0 mol/dm3；CD = 0.5 mol/dm3；CE = 0.2 mol/dm3。 試求r1C、r2C、r3C 之值。（10 分） 試求A 及D 之浄形成速率（net formation rate）。（10 分） 五、一基本不可逆液相反應（elementary irreversible liquid phase reaction）： A → B 在一絕熱CSTR 流動反應器下進行反應，進料之溫度為27℃，以純A 進料，A 進口 濃度為1.0 mol/dm3，進口體積流率為2 dm3/s。 試推導絕熱反應條件下，轉化率與反應溫度之關係。（10 分） 試計算完成A 轉化率為80%，所需CSTR 之反應器體積。（10 分） 補充資料： 反應熱ΔHRxn = -100 cal/(g．mol A)（假設不隨溫度變化） A 及B 之比熱：CPA = CPB = 1 cal/(g．mol．℃) 在300 K 之速率常數k = 0.01 s-1；活化能為EA = 10 kcal/mol