化學工程 97 年化學反應工程(亦稱化工動力學)考古題

在液體、均相、固定體積的操作條件下，一階反應A  k B 以相同的體積流速(Q)，分 別在連續攪拌反應器(Continuous Stirred Tank Reactor)和栓流反應器(Plug Flow Reactor) 中執行。 若欲達到某目標轉化率(Conversion)時，那一種反應器需要較大之體積？為什麼？ （10 分） 當目標轉化率改變時，兩種反應器需要之體積皆會改變。請推導出此兩種體積比 率(VCSTR / VPFR)與轉化率之關係式。（10 分）

使用栓流反應器(Plug Flow Reactor)在固定密度、固定溫度下，執行均相液體之一階連 鎖反應：A  1 k B  2 k C；k1 = 1.00×103e-10000/RT and k2 = 7.95×1014e-26700/RT，其中 B 為想要的主產物，而C 為副產物。已知反應器進料不含任何B 與C，僅含有A 且 其濃度為[A]in；試問： 若反應在較高溫度下執行，主產物B 之生成選擇率(Selectivity)會增加還是減少？ 為什麼？（10 分） 此反應器的滯留時間應該設計為多少始能獲得最大產率(Maximum Yield)的B？此最 大產率是多少？（10 分）

在等溫下，不可逆二階反應A+B  k C 的轉化率數據如下： 反應時間(min) A 之轉化率(%) 30 40.55 已知A 和B 的起始濃度各自為0.1M 和0.2M，請計算在該溫度下之反應速率常數。 （20 分）

在定溫下，可逆一階反應 B A   的平衡常數為K，正向反應的速率常數為k1； 請證明： ，其中的[A]eq代表A 的平衡濃度。（10 分） 如果反應的進行是使用非均相、多孔隙之觸媒顆粒(直徑dp，密度 p ρ ，有效因子 )，而且外部質傳係數是km，請利用在液相(Bulk Fluid)中的A 濃度來表示整個 觸媒顆粒之反應速率(每單位質量之觸媒)。（10 分）

在定溫下，使用裝填無孔隙觸媒顆粒(Nonporous Catalyst Pellet)之固定床反應器 (Fixed Bed Reactor)來執行一階反應A   B；當有外部質傳阻力時，整體速率常數 (Apparent Rate Constant)在25℃和50℃時分別為4.462×10-5 cm/sec 和2.619×10-4 cm/sec；然而當在極高溫度下執行反應時，整體速率常數接近2.816×10-4 cm/sec。 如果外部質傳係數不會隨反應溫度改變，那麼在40°C 下的整體速率常數應該是多 少？（20 分） ) [A] ([A] r eq ) (1 k dt d[A] 1       