化學工程 96 年化學反應工程學考古題

考慮以下反應步驟： 每一步驟均為一次反應，其中各反應常數為： ln k1 = -25000/(1.987 * T) + 18.8；ln k2 = -30200/ (1.987 * T) + 21.1； ln k3 = -26020/ (1.987 * T) + 18.0 選擇率S 定義為B 產生之莫爾數除以C 產生之莫爾數。從經濟面的考量，欲獲得最 高之選擇率，則： 選擇一栓流反應器（PFR）或是連續攪拌反應器（CSTR）較好？（需輔以計算述 明理由始予計分）（10 分） 在可允許的操作溫度範圍內，在同一反應器中，反應溫度要選擇較低或較高？（需輔以 計算述明理由始予計分）（10 分）

在一定體積之批式反應器中進行A B + C → 反應，進行期間溫度均可保持在473K。 一開始時反應器內僅含有A，反應器內壓力為1.0 atm；當反應經過55 秒，反應器 壓力上升60 %。若此反應為一與A 濃度平方成正比之二階不可逆反應，試計算反 應常數。氣體屬理想氣體，理想氣體常數R 為82.05 (cm3-atm)/(mol-K)。（20 分）

下列化學反應 2A＋B⇌2R 之反應式為-rA＝2CACB 0.5（rate expression 反應式） 如果我們將化學反應寫成 A＋2 1 B⇌R 則反應式應如何寫？（20 分）

一個液相反應其反應速率式如下： -rA = 0.325 CA (mole/min-L)，進料起始濃度為CAo ＝ 1 mole/L 若使用一PFR 其駐留時間（residence time）為12 分鐘，計算其最終轉化率。（6 分） 若使用一CSTR 具相同之駐留時間（12 分鐘），計算其最終轉化率。（6 分） 若使用一非理想反應器，其駐留時間曲線（RTD）分布如下表，計算其最終轉化 率。（8 分） 駐留時間 t (min) 0 3.5 7.0 10.5 14.1 17.6 21.2 24.6 機率 E 0 0 0.052 0.114 0.077 0.028 0.0125 0

一體積為10 cm3（實驗室用）之連續攪拌槽反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）用於研究A B → 反應。A 的進料濃度皆維持在0.05 mol/cm3，當進料體積流 率為2.0、1.0 及0.5 cm3/s 時，CSTR 出口處A 的轉化率分別為0.333、0.5 及0.667。 現在你被要求對於進料中A 的濃度為0.05 mol/cm3，進料的體積流率為50 cm3/s 時 進行放大設計。若CSTR 出口處的轉化率為0.8 時，所需反應器的體積為多少？ （20 分）

某一個一次反應A→P，在反應10 分鐘後，75.2 % 之反應物A 被轉化為P，反應溫 度為60℃。試推算該反應之速率常數。（20 分）

在一slurry（固液混合漿料）反應器中使用直徑約為3 mm 之多孔性粒子觸媒，獲得 80 %之轉化率。分別對以下觀察的現象，說明其原因： 當攪拌轉速增加二倍時，轉化率提高。當轉速再增加二倍時，轉化率卻不再變化。 （8 分） 在保持觸媒總重量不變的條件下，改用直徑約為6 mm，化學組成相同之觸媒粒 子時，轉化率降低。（8 分） 當反應溫度提高10 K，反應速度提高了三倍。（4 分） A B C k1 k2 k3 96年特種考試地方政府公務人員考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面）

一均勻液相反應A + B→C 於一理想栓流式反應器（plug flow reactor, PFR）中 進行。此反應為二階不可逆反應，反應速率式為 –rA = kCACB，反應常數k 為 0.1 cm3/(s)(mol)。若此PFR 截面積為5 cm2，長度為30 cm，進料中只含有A 及B， 其濃度均為0.02 mol/cm3，體積流率為0.5 cm3/s。此操作可視為等溫操作，試問 PFR 出口處A 之轉化率（conversion）為多少？（20 分）

吾人將SO2 以觸媒反應氧化為SO3，量測得反應速率常數與溫度之關係如下： T, ℃ 455 470 490 k, s-1 6.3 12 26.2 試估算反應之活化能。（20 分）

對於一不可逆反應，A→B，-rA = kCA，在一絕熱CSTR 反應器中進行，CAo = 2.0 mole L-1， 進料溫度為300 K。當平均駐留時間為4 min，反應器溫度為350 K，轉化率為50 %。 計算在350 K 之k 值。（10 分） 流體之平均體積比熱 ρCP = 103 cal/L。計算該反應之反應熱。（10 分）

兩一階液相反應A B + C → 與B D + C → 於一個固定體積之CSTR 中進行。第一個反應 之反應速率常數k1 為8×10-2 s-1，另k2/k1 = 0.5。若進料中僅含有A 且A 之濃度為 8.0 mol/L，假如B 為所需要的產物，B 在CSTR 出口處的最大濃度為多少？（20 分）

在一連續攪拌反應器（CSTR）進行下列液相反應 A ⎯→ ⎯1 k R ⎯→ ⎯ 2 k S 兩個反應均為一次反應，而k1, k2 均為0.4h-1 A 之供料速為60 h l ，其濃度Co 為5 l mol 。 如果R 是目標產物，則反應器之體積應為何才能有最大之R 產值？ 以此反應器操作，R 之出口濃度（exit）CR 為何？（20 分）

化合物 A 催化去氧形成 D 之反應推測係經由以下步驟： A + S ↔ AS AS ↔RS RS → D + O2 + S （速率決定步驟） 其中R 為中間體，S 代表觸媒表面活性基。 演導出Langmuir-Hinshelwood 反應速率式。（10 分） 根據以下反應速率數據決定反應常數。（10 分） 此外，D 分壓對反應速率無關。 PA (bar) 0.72 0.72 2.2 4.4 PO2 (bar) 1.1 4.1 4.1 4.1 rate (mole/g-catal-hr) 0.304 0.320 0.496 0.524

一非均勻觸媒反應A →B 於一固定床反應器（fixed bed reactor）中進行。假設觸媒顆 粒內之擴散阻力可忽略，亦即有效因子（effectiveness factor）為1.0。若此反應為一階 不可逆反應，反應常數k 為0.06 cm3/(s)(g 觸媒)，觸媒顆粒密度為 1.0 (g 觸媒)/ cm 3， 觸媒顆粒直徑為0.1 cm；又固定床反應器長度為10 cm，固定床反應器內孔隙度 （void fraction）為0.6。假設界面質傳阻力不可以忽略，界面質傳係數為0.01 cm/s， 試問當進料線性流速為1.0 cm/s 時，在沒有軸向分散（axial dispersion）效應下，固 定床反應器出口處A 的濃度為進料濃度之多少百分比？（20 分）

試推算2NO（g）＋O2（g）⇌2NO2（g）反應在下列條件改變下之反應速率應變情 形：（20 分） 反應系統之壓力增加成原來3 倍。 反應系統之體積縮小為原來之一半。 NO 之濃度提高為原來4 倍。