化學工程 97 年化學反應工程學考古題

在一起始體積為2 公升之批式反應器中進行C2H6 →C2H4 + H2之氣相反應。反應開始 時，壓力為1 大氣壓，溫度為157 C，反應器內含有80 mol %的C2H6與20 mol %的 惰性氣體氦氣。若此批式反應器為一固定體積之反應器，當反應器內之壓力增加至 1.6 大氣壓時，C2H6 之轉化率（conversion）為多少？假設為等溫操作且氣體皆遵守 理想氣體狀態方程式。理想氣體常數R 為82.05 (cm3·atm)/(mol·K)。（20 分）

在一固定體積之批式反應器中進行一均相反應A →B，實驗結果如下表所示： 起始A 濃度 mol/cm3 時間 秒 A 濃度 mol/cm3 0.008 37 90 0.006 0.004 0.012 37 90 0.009 0.006 0.016 37 90 0.012 0.008 請求出反應階數（reaction order）與反應速率常數。（20 分）

當一液相反應A →B 於一體積為30 cm3之連續攪拌槽反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）中進行時，實驗數據顯示當進料中僅含有A，進料流率為15 cm3/min 時，A 之轉化率為0.6。對A 而言，此反應可視為一階（first order）反應。現欲大 量生產B，因而採用栓流式反應器（plug flow reactor, PFR）進行此反應。當進料中 仍僅含有A，進料流率為200 L/min 時，得知出口處A 之轉化率為0.8。試問此反應 器體積為多少公升？假設溫度及壓力在CSTR 及PFR 中均相同。（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 →B + C，反應速率 常數為0.5 min-1。此CSTR 之體積為200 L，若進料中除A 外，尚含50 %的惰性物質， 當A 之轉化率為0.85 時，進料之體積流率為多少？（20 分）

兩非均勻（heterogeneous）觸媒反應A →D 及A →U 於多孔性觸媒顆粒（porous catalyst particle）內進行。假若觸媒顆粒內之擴散阻力（intraparticle diffusion resistance） 可以忽略，但界面質傳阻力（external mass transfer resistances）不可以忽略，在此情 況下，A 在觸媒顆粒表面濃度為外界A 濃度之80%。倘若外界A 濃度不變，試問所 欲生成物D 之選擇率，亦即D 與U 之反應速率比值（rD/rU），以及產率（rD）與不 存在界面質傳阻力情況下會有多大的差異？（20 分） 假若兩反應之動力式為： a) A →D 為一階反應，A →U 為二階反應 rD = k1CA, k1 = 0.2 cm3/(s·g), rU = k2CA 2, k2 = 0.03 cm6/(s·g·mol) b)A →D 及A →U 均為一階反應 rD = k1CA, k1 = 0.2 cm3/(s·g), rU = k2CA, k2 = 0.03 cm3/(s·g)