化學工程 96 年化學反應工程(亦稱化工動力學)考古題

反應器種類、操作條件或反應器排列方式選擇： 假設有一化學反應A + B → C + D 進行中，當產物D 的濃度過高時，可能產生 所謂的產物抑制（product inhibition）現象，而降低了反應速率。為求避開或減輕 產物抑制（product inhibition）現象的發生，應該選擇連續攪拌式反應器（ continuous stirred tank reactor，CSTR）或是塞流式反應器（plug flow reactor，PFR）？ 為什麼？（5 分） 有一並行反應（parallel reaction）如下所列： A + B → C （undesired）, rC = 0.23 e （-2000/T）CA 0.5CB

A + B → D （desired）, rD = 0.29 e （-1900/T）CACB A + B → E （undesired）, rE = 0.34 e （-700/T）CACB 0.5 其中只有D 是想要的產物，C 和E 都是無用的副產物，請問： 應該選擇高溫或低溫條件操作可以提高選擇率（selectivity）？為什麼？（2 分） 應該選擇CSTR 或是PFR 反應器可以提高選擇率（selectivity）？為什麼？（4 分） 兩個體積一大一小的CSTR 反應器準備串聯進行下列反應 -rA = k CA 0.5，請問怎 樣的排列次序可以得到較高的轉化率？為什麼？（5 分） 有一並行反應（parallel reaction）如下所列： A → B rB = 0.03 A → D rD = 0.12CA A → E rE = 0.12CA 2, 其中只有D 是想要的產物，B 和E 都是無用的副產物，假設A 的進口與出口濃 度分別是2.5mol/liter 和1.2mol/liter，想要得到較高產物D 濃度，應該選擇CSTR 或是PFR？為什麼？（5 分） 二、有一液相可逆一級反應A ↔ B 在90℃不同反應器中進行，其中正方向（forward） 的速率常數kf = 0.9 min-1，逆方向（backward）的速率常數kb = 0.2 min-1，假設進料 體積流速為v = 8 liters/min，CA0 = 4 moles/liter，CB0 = 0。 在90℃反應時，可逆反應的平衡轉化率是多少？（5 分） 假設在90℃等溫操作，如果想要達到平衡轉化率80%的轉化率，請問需要的 CSTR 與PFR 反應器體積各為多少？（14 分） 96年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、法醫師考試暨普通考試記帳士考試、96年第 二次專門職業及技術人員高等暨普通考試消防設備人員考試、普通考試不動產經紀人考試試題 代號：01530 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

有一個酵素反應其反應速率式可以依下列式子表示，其中CA 為反應物（基質）濃 度，Vmax 和Km 為動力學參數值： -rA = A m A C K C V + × max 經由動力學研究，得到了反應物（基質）濃度對起始反應速率的影響，如以下數據 所示： CA mol/liter 0.0292 0.0584 0.0876 0.117 0.146 0.175 0.234 -rA mol/liter. min 0.182 0.265 0.311 0.330 0.349 0.372 0.371 請利用上列數據估算反應速率式動力學參數值Vmax 和Km 值。（10 分） 假設在相同的溫度和酵素濃度下，利用一個1 liter 的批式反應器（batch reactor） 進行上述反應，已知起始反應物（基質）濃度為2mol/liter，請問達到95%轉化率 需要多少時間？（10 分）

有一氣相不可逆一級反應A→B 在一個塞流式填充床反應器（packed bed reactor） 內進行，假設延著填充床床高壓力降落方程式為dP/dW = -0.2atm/kg，其中W 是觸 媒量。當進口壓力為20atm 觸媒使用量為60kg 操作時，轉化率可以達到60%。請 問： 在相同的進料條件與操作條件下，要求達到40%轉化率時，需要多少觸媒使用量？ （10 分） 假設在相同進料條件與操作條件下，60kg 觸媒改以CSTR 反應器內進行，請問轉 化率可達多少？（10 分）

有一氣相非均勻相觸媒反應（Heterogeneous catalytic reaction）A→ B + C，必須在 A1-Si 固體顆粒的表面進行，假設利用微分反應器（differential reactor）得到下列動 力學實驗數據： PA（atm） 12 25 50 100 200 -rA 0（lb mol/hr. lb cat） 0.27 0.52 0.76 0.77 0.51 依據動力學實驗數據請提出並解釋可能的反應速率式。（10 分） 由提出的反應速率式，依據Langmuir-Hinshelwood 原理異相觸媒反應分為：吸附、 表面反應、脫附三大步驟。請說明及推導可能的非均勻相觸媒反應機構，以及速 率決定步驟。請注意：Al-Si 顆粒的表面活性部位以『S』表示，其他需要的動力 學參數值可自行設定。（10 分）