化學工程 110 年化學反應工程學考古題

在一個批次反應器中，進行均相反應：A P → k 。其中，A 為反應物，P 為 產物；tX 代表反應物轉化率達到X%所需要的反應時間。 ㈠如果此反應為一級反應，請計算達到80%轉化率所需要的反應時間為 40%轉化率所需要的反應時間的倍數（t80/t40 比值）。（10 分） ㈡如果此反應為二級反應，請計算達到80%轉化率所需要的反應時間為 40%轉化率所需要的反應時間的倍數（t80/t40 比值）。（10 分）

在批次反應器中，反應物A 藉由逐次反應生成中間物X 和產物C，其基 本反應式表示如下： 1 A X k 和 2 X C k 反應開始時，反應器中只存在反應物，其初始濃度為[A0]。 ㈠請求得產物的濃度[C]和反應時間t 的關係式。（15 分） ㈡如果反應時間足夠久，請分別求得反應器中的反應物、中間物和產物 的濃度。（5 分）

在一個連續攪拌槽反應器（CSTR）中，反應物（A）轉化成產物（P）為 一次反應（A P k ，k = 0.1 h-1），亦即反應速率可以表示為-rA = k‧CA。 如果進料中的A 濃度為CA0 = 0.1 mol/L，成本為NTD 5000/mol A； 出口端產物的生成率為100 mol/h；反應器建造及操作成本攤提為 NTD 10/（h‧Liter of reactor）。請計算在最低成本（亦即反應物之物料和反 應器建造及操作成本的總和）時的最佳轉化率（XA）及反應器的體積。 （20 分）

如果氣相分解反應為單分子反應（A →P），其反應步驟可以表示成下列 三個基本反應式： 1 * A A A A → + ＋ k (I) 2 * A A A A → ＋ ＋ k (II) （通常，k2 > k1） 3 * A P → k (III) 其中，A 為反應物，A*為反應中間物，P 為產物。 ㈠如果反應達到準穩定狀態，請推導產物生成率和反應物濃度[A]的關係 式。（15 分） ㈡如果反應系統壓力相當大，亦即反應物濃度[A]相當高時，請問在此情 況下此單分子反應的反應級數為幾級？（5 分）

空氣污染物中的氮氧化物（NOx）通常為NO 和NO2。在空氣中，兩種 氮氧化物轉換的基本反應式如下： NO(g) + ½ O2(g) NO2(g) 在298.15 K，NO 和NO2 的標準莫耳生成吉布斯自由能（standard molar Gibbs free energy of formation）分別為86,550 J/mol 和51,310 J/mol。如 果某工廠的空氣品質監測站測得氮氧化物平均濃度為30 ppb，此時空氣 品質監測站的溫度和壓力分別為25℃和1.0133 bar。 請估計NO 和NO2 的濃度（假設空氣含有21 mol%氧氣），並詳細說明 你的計算依據。（20 分）

某一化合物分解化學反應A→B + C 在定溫液相批式反應器中進行，得 到化合物A 濃度隨時間變化數據如下： Time t（min） 0 10 20 30 40 50 化合物A 濃度（g/L） 5.11 3.77 2.74 2.02 1.48 1.08 已知此化學反應可能為零級或一級反應，請確認反應級數並計算速率常 數值。（15 分）

化學工程師設計流體化床反應器進行不可逆氣體化學反應A→B，已知 反應級數為一級而且使用60 kg 的觸媒，可以得到62%轉化率。 ㈠請問如果觸媒使用量提高為70 kg，轉化率提升為多少？（8 分） ㈡如果將60 kg 的觸媒流體化床反應器改為填充床反應器，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，進口壓力為20 大氣壓，請問可以達到 的轉化率是多少？（12 分）