化學工程 107 年化學反應工程(亦稱化工動力學)考古題

某化工廠進行A+B→C 反應生產產物C，反應採用半批式（semi-batch）操 作方式進行，將A 化合物由外部桶槽慢慢加入已經裝有B 化合物的批式反 應容器中，假設A 化合物以0.03 mol/dm3的濃度，以及0.04 dm3/s 的流速 進入反應器中。反應器內B 化合物濃度為0.06 mol/dm3，起始體積為6 dm3。 已知此反應對A 和B 皆為一級反應，反應速率常數為k = 2.0 dm3/s．mol。 請列出A、B、C 三種成分質量平衡式，並推導A、B、C 三種成分濃 度隨時間變化的微分方程式。（12 分）（附註：莫耳流量以F 表示， 莫耳數以N 表示。不需解微分方程式。） 說明A、B、C 三種成分濃度及反應速率隨時間變化的情況並解釋升 高和降低的原因。（8 分）

化學工程師甲設計填充床反應器進行不可逆氣體化學反應A→B，已知 反應級數為一級且進口壓力為20 大氣壓，假設甲工程師忽略考慮壓力 降落（pressure drop）因素，計算結果：認定用60kg 的觸媒，可以得到 80%轉化率。事實上，此填充床反應器操作時存在壓力降落現象，壓力 降落與填充觸媒量的關係方程式如下：dP / dW = - 0.2 atm / kg。 請問此反應器操作時，真正得到的轉化率是多少？（12 分） 如果固定觸媒的使用量為60 kg，將填充床反應器改為流體化床反應 器，請問可以達到的轉化率是多少？（8 分）

使用非均相固態觸媒進行催化反應前，化學工程師必須先測得反應速率 常數（reaction rate constant），此參數測定通常不使用填充床反應器，而 是改用微分反應器（differential reactor）進行。 請說明原因為何？（4 分） 解釋微分反應器構造與特性。（4 分）

針對某一個氣體分解化學反應A→B+C，化學工程師乙利用固定體積的 批式反應器進行實驗，測量反應過程中壓力變化值（ΔP）隨著時間增加 的情況（數據如下），已知起始的壓力為48.4 kPA，而且反應級數為二級。 請推導壓力隨時間變化關係方程式。（6 分） 請由下列數據求出化學反應速率常數。（14 分） t(s) 42 105 242 480 840 1440 ΔP(kPA) 4.5 9.9 17.9 25.9 32.5 37.9

下列並行複反應，三種生成物C、D、E 中，只有成分D 是有用的產物 （desired product），其他C 和E 成分都是無用的副產物。 A +B →C (undesired), rC = 0.23 e(-2000K/T) CA 0.5CB 2 A +B →D (desired), rD = 0.29 e(-1800K/T) CACB A +B →E (undesired), rE = 0.34 e(-600K/T) CA 0.5CB 請由選擇率S（selectivity）觀點，說明想要提高目標產物D 生成的反應 操作策略，其中反應操作策略包括： 溫度選擇（高溫或低溫）。（4 分） 反應器種類選擇[連續攪拌槽式反應器（continuous stirred tank reactor，CSTR）或塞流式反應器（plug flow reactor，PFR）]。（4 分） 最佳半批式操作方式（semi-batch operating modes）。（4 分）

化學工程師丙準備設計一個非恆溫狀態下操作的批式反應器（batch reactor），進行A+B→C 的液態化學反應，計算達到特定轉化率所需要 的時間。此反應將在絕熱狀態下操作，丙目前只確定反應進行起始溫度 （T0）和最終轉化率（X），其他的條件完全缺乏。 請列出進行此一絕熱狀態批式反應器的設計，丙需要的動力學和熱力 學計算方程式，以及所需動力學參數和熱力學參數。（12 分） 請說明計算的方法或步驟。（8 分）