化學工程 91 年化學反應工程學考古題

不可逆之氣相基本反應A→2P 在栓流反應器(PFR)內進行，進料為純的反 應物A，流量為100 mol/min，溫度為127℃，壓力為2 atm。如果反應器維 持在上述之溫度與壓力下進行，而速率常數k＝5 min-1，假設氣體為理想氣 體，欲使反應物A 的轉化率(conversion)為80%，此栓流反應器的體積應為 多少公升？（20 分）

五氧化二氮之分解為一級反應。其可能之反應機制為： N2O5 NO2 + NO3 NO3 + NO2 NO + O2 + NO2 （慢） NO + NO3 2NO2 請寫出總反應式。（5 分） 請導出N2O5 之消失速率式－γN2O5。（15 分）

根據下列恆溫(isothermal)、穩定狀態(steady state)之均勻(homogeneous)液 相反應系統與所附數據，計算： 體積V1。（6 分） 轉化率XA2。（6 分） 體積V3。（8 分） 數據：-rA＝1/(100 + 500XA)mol/liter-min，FA0＝100 mol/min，XA1＝0.3， XA3＝0.5，V2＝4000 liter。-rA 為反應速率式(reaction rate law)，XA 為反應物 A 之轉化率(conversion)，FA0為A 進入栓流反應器(plug flow reactor, PFR)1 或連續攪拌反應器(continuous stirred tank reactor, CSTR)2 之莫耳流率， XAi(i＝1, 2, 3)分別為A 離開反應器1, 2, 3 之轉化率，Vi(i＝1, 2, 3)分別為反 應器1, 2, 3 之體積。

在定體積的批式反應器(batch reactor)中進行氣相分解反應A→B + 2C。實驗1~5 在 100℃下進行，而實驗6 在110℃下進行。氣體常數R = 1.987 cal／mol．K。 由數據中決定反應級數(reaction order)與反應速率常數。（10 分） 反應的活化能為何？（10 分） 實驗 起始濃度，CAO(mol/l) 半生期half-life (min) 1 0.010 9.8 2 0.025 4.05

一氣相反應2A→R，在可變體積之批式反應器中進行，操作中保持溫度及 壓力不變，開始時之反應混合物中，A 佔總莫耳數的80%，反應3 分鐘後 總體積減少20%。今知反應對A 為一級反應，試求其速率常數。（須註明 其單位）。（20 分） V1 V2 FA0 FA0 XA1 XA2 V3 XA3 九十一年特種考試臺灣省及福建省基層公務人員考試試題 代號：2410 科 別： 化學工程 全一張 （背面）

0.033 3.03

實驗量測一均勻相化學反應A＋B→P 的起始反應速率(initial reaction rate)， 發現反應速率與反應物起始濃度關係如下圖所示：（20 分） 寫出一反應速率式，使其和實驗所得圖形吻合。 根據反應速率式推導出一個反應機制。

0.055 1.82

某一可逆非均勻(heterogeneous)氣/固相觸媒化學反應式為A(g) R(g)＋T(g)， 其反應機制係由下列之一系列可逆反應所組成： 吸附(adsorption)：A(g)＋S A．S 表面反應(surface reaction)：A．S＋S R．S＋T．S 脫附(desorption)：R．S R(g)＋S 脫附(desorption)：T．S T(g)＋S 其中S 表示觸媒表面上的一個活性位置(active site)，A．S、R．S 或T．S 表 示一個A、R 或T 分子吸附在一個活性位置上，ki(i＝± 1, ± 2, ± 3, ± 4)分 別為步驟 、 、 與 之反應速率常數，其正、負號則分別代表正、逆反 應。假設步驟 為其速率決定步驟(rate-limiting step)，請推導此反應系統之反 應速率式(reaction rate law, -rA')。（20 分） k1 k -1 k2 k -2 k3 k -3 k4 k -4 rp 0 0 CA CB0＝常數 rp 0 0 CB CA0＝常數

0.075 1.33

0.025 1.01 三、根據下列處於恆溫(isothermal)、穩定狀態(steady state)之均勻(homogeneous)液相反應 系統(a)與(b)及以下所附數據，請計算反應器的體積(V)。（20 分） 反應系統(a)之反應速率(reaction rate)：－rA (mol／l-s) = 1／(200 + 500 XA)，0≦XA＜0.4 反應系統(b)之反應速率：－rA (mol／l-s) = 1/(1000 XA)，0.4≦XA≦0.8 FA0 = 10 mol／s；XA = 0.6；FA0 為反應物A 進入栓流反應器(plug flow reactor, PFR) (a)或連續攪拌反應器(continuous stirred tank reactor, CSTR) (b)之莫耳流率，XA 為反 應物A 離開反應器之轉化率(conversion)。 四、在一恆溫栓流反應器中，進行不可逆一級(first order)氣相反應2A→B。當反應物與稀 釋氣體C 以等莫耳比流入反應器時，A 的轉化率可達90%。若A 的莫耳流量減半，但 C 的莫耳流量不變，則A 的轉化率為何？假設溫度與壓力不變。（20 分） 五、五氯化磷(PCl5)在300℃時會產生下列的分解反應： PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) 在300℃時，若PCl5 之最初壓力為1 atm，其平衡解離率為25%，試求： 300℃時之分壓平衡常數(Kp)。（5 分） 300℃時之平衡總壓力。（5 分） 若平衡總壓力為2 atm，則其平衡解離率為多少？（10 分） k1 k2 k3 k4 FA0 FA0 V V XA (a) (b) XA