化學工程 114 年化學反應工程學考古題

氣相反應

A B  在一個恆溫的批式反應器（batch reactor）中進行，起 始時只放入純物質A，起始壓力為 0P 。假設此反應為一級反應，反應速 率常數為k 。（每小題10 分，共20 分） 請推導反應器內總壓力P 與反應時間t 的關係式。 若此反應改在一恆溫恆壓的連續攪拌槽反應器（continuous stirred tank reactor）中進行，進料為純A，體積流率為 0υ ，反應器體積為V。請以 反應物A 的轉化率（ A X ）來表示出口的莫耳流率 A F , B F 及濃度 A C , B C 。 二、不可逆液相反應A Products  在恆溫批式反應器中進行，於不同反應時 間t 測量反應物A 的濃度 A C ，數據如下表所示。請利用積分法（integral method）決定反應級數（reaction order），並求出反應速率常數k（包含 單位）。（20 分）

液相反應 2 A B  為二級反應，反應速率常數 0.5 L / mol min k   （ ）。進料 流率為10L / min ，進料濃度 1mol / L A C  。（每小題10 分，共20 分） 若使用一個連續攪拌槽反應器操作，欲達到80%的轉化率，反應器體 積應為多少？ 若改用一個塞流反應器（plug flow reactor）操作，同樣要達到80%的 轉化率，反應器體積應為多少？ t（min） CA（mol/L） 0 2.00 10 1.00 20 0.67 30 0.50

考慮以下液相平行反應： 1k A R  （期望產物）, 2 1 R A r k C  , 1 0.4L / mol min k   （ ） 2 k A S  （副產物）, 2 S A r k C  , 1 2 0.1min k   進料只含A，濃度 0 2 mol / L A C  。 請定義瞬時選擇率（instantaneous selectivity） / R S S 。（5 分） 為了得到最高的R 產率，應選用高濃度或低濃度的A 進行反應？應選 用連續攪拌槽反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）或塞流反 應器（plug flow reactor, PFR）？請說明理由。（5 分） 若在PFR 中反應，當A 的轉化率達到90%時，出口R 的濃度為何？ （10 分）

不可逆一級液相反應A B  在一個連續攪拌槽反應器中進行。反應器體 積為100 L，進料體積流率為10L / min，進料溫度為300 K。已知數據如 下：  進料濃度 0 1mol / L A C   反應熱Δ 20,000 cal / mol o R H   活化能 15,000 cal / mol a E   頻率因子 7 1 0 1 10 min k    流體比熱與密度之乘積 1,000 cal / L K P C    （ ）  氣體常數 1.987 cal / mol K R   （ ） 假設反應器為絕熱（adiabatic）操作，請由熱平衡方程式（energy balance） 與莫耳平衡方程式（mole balance）聯立，求出反應器出口的穩態轉化率 （XA）與溫度（T）。（20 分）