化學工程 96 年化學反應工程考古題

一均勻液相反應A B 於一批式反應器（batch reactor）中進行。反應開始時反應 器內只含有A。當平衡時，轉化率（conversion）為0.8；當時間為1.5 h 時，轉化率 為0.5。請計算此反應之反應速率常數（reaction rate constant）。（20 分）

物質B 經由一可逆之異構化反應產生，反應式為A B，A 與B 都是液體且互溶。 此反應之平衡常數（以濃度單位表示）為6.8。現在有一純A 進料進入一栓流式反 應器（plug flow reactor, PFR）中進行反應，反應之轉化率為0.6，且此反應為基本 反應（elementary reaction）。如在此反應器後方再串接一完全相同之反應器，且操 作溫度相同，A 之轉化率將是多少？（20 分）

一實驗室級體積為50 cm3之連續攪拌槽反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR） 用於進行一不可逆的液相反應A B + C → 。對A 而言，此反應可視為一階反應。當進 料僅含有A，進料流率為10.0 cm3/s 時，可得A 之轉化率為0.6。如果現在進料流 率增加為5×104 cm3/s，進料僅含有A 其莫耳流率為10 mol/s，在相同的操作溫度與 壓力下，B 之產量必須達到8.0 mol/s。如果整體之操作成本隨反應器體積之增加而 增加，你會選擇CSTR 或栓流式反應器（PFR）進行操作？此反應器體積大小為多 少公升？（20 分）

在一連續攪拌槽反應器（CSTR）進行一階不可逆氣相反應A 3B → ，反應速率常數 為0.05 s-1，計算當A 之轉化率為0.8 時，在以下條件下反應器之體積。（20 分） 進料僅含有A，其莫耳流率為10 mol/s，進料中A 的濃度為2.0 mol/L。 進料中另含50 %的惰性物質，A 的濃度與進料體積流量與中相同。

在一多孔性觸媒顆粒內進行一階反應A B → 。觸媒直徑為0.8 公分。當沒有外部質 傳阻力時，量測資料顯示觸媒之有效因子η（effectiveness factor）為0.3。觸媒顆粒 密度（particle density）為1.0 g/cm3，觸媒內有效擴散係數（effective diffusivity）為 5×10-4 cm2/s。根據文獻指出，當有效因子很小時， )1 ( 3 2 − = φ φ η 。為了增大有效因子， 因此合成不同結構的觸媒顆粒。新合成出的觸媒直徑為0.2 公分，觸媒顆粒密度為 1.0 g /cm3，有效擴散係數為8×10-3 cm2/s。由於沈積在觸媒上的金屬沒有改變，因此 假設小顆粒觸媒之反應動力式與大顆粒觸媒相同，請計算新觸媒之有效因子。（20 分） → ← → ←