化學工程 98 年化學反應工程(亦稱化工動力學)考古題

水溶液中之一酯類進行皂化反應，批式實驗顯示此反應為不可逆之一級反應，且在 所需設定之溫度下於八分鐘完成50%之轉化率。在連續式反應系統中，我們要處理 100 莫耳/小時之進料（該酯類之濃度為4 莫耳/升）使其達到95%之轉化率，計算完 成此轉化率所需要之下列反應器的體積: 一個塞狀流動反應器（Plug flow reactor, PFR）。（7 分） 一個連續攪拌槽反應器（Continuous stirred tank reactor, CSTR）。（6 分） 四個等體積之連續攪拌槽反應器（CSTR）串聯。（7 分）

乙烷之氧化脫氫可產生乙烯，此反應和其速率如下: 在1000K，k1=9 升/莫耳.秒，k2=1670 升2/莫耳2.秒。進口之分壓為PC2H6=2atm， PO2=1atm，PN2=4atm。在反應器中總壓力及密度為固定且從反應器出口之產物中 含有0.05 atm之氧氣，乙烯之選擇率=反應器出口之乙烯莫耳流量/反應器出口之 二氧化碳莫耳流量。 PFR 和CSTR 中那種反應器有較高之乙烯選擇率？敘述其理由。（5 分） 在此氧氣轉化率下，計算在CSTR 中之乙烯選擇率。（10 分） 在此氧氣轉化率下，敘述如何算出在PFR 中之乙烯選擇率，列出所需之方程式及 計算方法。（5 分）

可逆之液相異構化反應 A B在一等溫之批式反應器（操作於575K）中進行， 反應熱=15,000 卡/克莫耳，反應速率方程式為 - rA= k ×（A之濃度- B之濃度/平衡常 數），在575K時，k=0.043/分，平衡常數KC=5，A之起始濃度為2 莫耳/升： C2H6 +1/2O2 C2H4 + H2O r1=k1CC2H6 CO2 C2H6 +7/2O2 2CO2+3 H2O r2=k2CC2H6 CO2 2 計算平衡轉化率Xe及達到90% Xe之轉化率所需要之時間。（10 分） 此批式反應器有夾套，其內有循環之熱油經過此夾套以維持反應器之溫度於575 K，反應 器之體積為400 立方公分，夾套和反應器間之整體熱傳導係數與熱傳面積之乘積（=UhA） 為50 cal/℃.min。假設夾套內之油為均勻混合且其溫度為穩定狀態（steady state）， 計算在時間t=0 及時間達到90% Xe之轉化率時所需要之熱油的溫度以維持批式反 應器的溫度於575K。 （10 分） 98年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、消 防設備師考試、普通考試不動產經紀人、記帳士、第 二次消防設備士考試暨特種考試語言治療師考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

氯氣可以由下列氣相之催化反應製造 HCl + 1/4 O2 1/2Cl2 +1/2H2O HCl 之反應速率為 -rHCl = k[CHCl-(1/K)CCl2 1/2 CH2O 1/2]/[1+K1CHCl+ K2 CCl2]2 下列數據係由有HCl和空氣進料（不含Cl2和H2O）之微分反應器（differential reactor ）獲得 CHCl×106, mg mol/cm3 0.24 0.27 0.44 0.68 0.74 0.89 -rHCl×106, mg mol /g cat.s 10.5 11.2 13.5 15.2 15.3 15.7 利用此些數據，計算化學反應速率方程式中之k及K1。（15 分）

一個連續式泥漿反應器（continuous slurry reactor，可視為CSTR）內含有100 微米 直徑的球形觸媒顆粒（觸媒之濃度為105顆粒/cm3，且只有外表面具有催化效能） 催化反應A B 。在觸媒表面，反應速率為-rA”=10-3CA ，其中-rA” 單位為 moles/cm2xsec，CA單位為moles/liters。進料溶液中A的濃度（CA0）為2 moles/liter，如 果反應器之體積為10 升，出口之轉化率為90%，計算進料溶液的體積流量。（ 10 分） 六、球形觸媒顆粒用以催化反應A B，此反應為一級反應，當觸媒顆粒外表面A之 濃度CA=0.025 莫耳/升時，改變觸媒之直徑（dP）而獲得下面之實驗數據（表中之 (-rA)obs為實驗觀察得到之反應速率）： dP, mm 0.1 0.5 1 5 10 20 25 (-rA)obs×104, mol/L.s 5.9 5.9 5.3 2.4 1.3 0.74 0.59 決定真正（intrinsic）之反應速率(-rA)int，並計算真正之反應速率常數k。（5 分） 計算當dP =5, 20, 25-mm時之有效因子（effectiveness factor）η及Thiele modulus Φ。（6 分） 計算有效擴散係數（effective diffusivity）De 。（4 分）