化學工程 94 年化學反應工程學考古題

有一反應物A 在一批式反應器（batch reactor）中進行化學反應，生成產物R 與S。 經由實驗的量測，各物質的濃度與時間的關係如下圖所示。請分別討論(a)-(d)各種 情形下各曲線所反映的意義及可能的反應式。（20 分）

對於A→B 的一階不可逆反應，若觸媒內部質傳限制可以忽略不計，利用以下所附 數據，判斷在27℃、327℃和627℃三個溫度下的速率控制（反應控制、質傳控制 或兩者都有？）。（20 分） 數據： 在25℃之實質速率常數 (intrinsic rate constant，以每1 cm3體積觸媒為基準)：1 s-1 活化能：E=10 kcal/mol 球形觸媒的直徑：1 cm 理想氣體常數：R=1.987 cal/(mol•K) 外部質傳係數 （不隨溫度而變）：400 s g k -1cm-2 反應的總阻力 a k k k g s 1 1 1 0 + = ，其中 為實質速率常數， 為外部質傳係數 （external mass transfer coefficient），為球形觸媒的比表面積（每單位體積觸媒之表 面積）。 sk g k a

一階（first-order）的可逆液相化學反應，A=R，在一批式反應器中進行，進料之濃 度分別為CA0=0.5 mol/L，CR0=0。在反應8 分鐘之後，A 之轉化率（conversion）為 33.3%，而到達平衡時之轉化率為66.7%，試求此反應速率式。（20 分）

濃度CA0 = 2.5 kmol/m3的化合物A以體積流率12 m3/min進入一柱流反應器（plug flow reactor，PFR）反應轉化為B，其反應速率常數為30 min -1，若產品B的價值為 $1.50/kmol，反應器的操作成本為 $2.50/(min•m3)，求最適反應器的體積使得利潤最 大，並計算最大利潤、反應器出口處A的濃度及百分產率（percent yield）。 （ 20 分）

一物質A 之液相反應速率式為二階（second-order），當此反應在一流動式反應器中 進行，可以達到轉化率95%。若再添購一完全相同的反應器，並將此二反應器串聯 或並聯起來，在轉化率不變的形況下可以增加多少處理容量？（20 分） 此二反應器皆為栓流反應器（plug flow reactor, PFR）。 此二反應器皆為連續攪拌槽反應器（continuous stirred-tank reactor, CSTR）。

試回答下列問題：（20 分） 對於一高度放熱反應，如何保持固定觸媒床於恆溫下？ 提出一個實驗計畫以檢驗觸媒的活性衰退率。

有一氣相可逆反應，A+B=R+S，當相等摩爾之反應物進入一栓流反應器，於2 atm 及25oC 時A 之轉化率為40%。則此反應器應操作在何溫度以使轉化率為最大？此 最大之轉化率為何？已知於25oC 時，反應熱△Hr=1800 cal，自由能△Go=0，而在 可能的操作溫度範圍內物質A, B, R, S 之平均熱容（average heat capacity）分別為8, 10, 7 與5 cal/mol．K，假設反應速率與溫度的關係遵循Arrhenius 式。（20 分）

在溫度為350K的連續攪拌槽反應器（continuous stirred-tank reactor，CSTR）中進行 A→B的一階化學反應，反應的活化能為E = 20 kcal/mol，CSTR的進料體積流率為f = 8 L/s，濃度為C0 = 1 mol/L，其中含75 mol%的A和25 mol%的惰性物質，設反應器 的體積為V，反應速率常數為k1 min-1。（20 分） 利用質量均衡的原理，推導出轉化率X與f、C0、V和k1的關係，並求反應轉化率 為X = 0.75 之k1 V。 若反應在溫度為325K 的柱流反應器（plug flow reactor，PFR）中進行，進料之體 積流率、濃度、組成及反應器的體積與CSTR 反應相同，計算PFR 出口處的轉 化率。 94 年公務人員高等考試三級考試第二試試題 科 別： 化學工程 全一張 （背面）

有一化學反應， S R A k k ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ → ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ → ⎯ = = min / 1.0 min / 1.0 2 1 ，欲自1000 L/hr 之進料生產R，進料 之濃度分別為CA0=1 mol/L，CR0=CS0=0。若欲獲得最大的R 之產量，則該用多大之 栓流反應器？ 連續攪拌槽反應器？ 此時流出之物料中R 之濃度分別為何？（20 分）     1 C 0 S R A 0 S R A C C C A A R R S S 1 1 0 0 t t t t

皂化(Saponification) 係將酯類與鹼性溶液加熱以形成醇類。對於乙酸乙酯 (ethyl acetate)之皂化： CH3COOC2H5 + NaOH Æ CH3COONa + C2H5OH 於溫度298K 完全攪拌之批次反應器中進行，並收集到以下數據： Time (min) 5 9 13 20 25 33 37 ------------------------------------------------------------------------------------------ 103CA (mol/L) 7.55 6.33 5.41 4.34 3.85 3.20 2.96 其中CA表NaOH的濃度，CB表乙酸乙酯的濃度。若反應以等分子莫耳（equimolar）濃 度CA0= CB0= 0.1 mol/L 開始，証明此反應對兩反應物而言均可視為一階不可逆反應 ，並計算出在溫度298K下之反應速率常數。（20 分）