苯胺（C6H5NH2）可利用硝基苯（C6H5NO2）與氫氣反應而製備，惟同時 衍生水份。若生產過程中硝基苯進料（100 moles）之總轉化率（overall…

題目

苯胺（C6H5NH2）可利用硝基苯（C6H5NO2）與氫氣反應而製備，惟同時 衍生水份。若生產過程中硝基苯進料（100 moles）之總轉化率（overall conversion）為90%，而流經反應器之單程（one-pass）轉化率為30%， 新鮮氫氣進料為過量20%（excess）。反應器出口物流（stream）經過分 離器後分別獲致最終產物及反應物回流物流，反應物回流物流之組成為 23%硝基苯及77%氫氣，此回流將與新鮮進料混合後流經反應器（題中 之%視為mole %）。試求： 硝基苯合成苯胺之化學反應式。（5 分） 最終產物之各成分莫耳數。（8 分） 反應物回流之莫耳數。（7 分）

參考解答（AI 生成，非官方）

• 一、化學反應式：硝基苯催化加氫生成苯胺，主反應為 C6H5NO2 + 3H2 → C6H5NH2 + 2H2O，為放熱反應，工業上多以 Cu/SiO2 或 Pd/C 觸媒於 260 至 300 度C 氣相固定床進行。每 1 mol 硝基苯理論需 3 mol 氫氣，並副產 2 mol 水，此計量比為後續物料平衡之基礎。
• 二、新鮮進料與過量氫氣：以硝基苯新鮮進料 100 mol 為基準，理論氫量 = 3 × 100 = 300 mol；過量 20% 則新鮮氫氣 = 300 × 1.2 = 360 mol。全系統總轉化率 90%，故整體反應量 = 90 mol 硝基苯，消耗氫 270 mol，生成苯胺 90 mol 與水 180 mol。
• 三、最終產物各成分莫耳數：未反應硝基苯 = 100 - 90 = 10 mol；未用盡氫氣 = 360 - 270 = 90 mol。故最終產物含苯胺 90 mol、水 180 mol、硝基苯 10 mol、氫氣 90 mol，合計 370 mol。其中苯胺與水為目的產物，硝基苯與氫氣因分離器未完全分離而隨產物排出，可視為製程之損失或排放。
• 四、反應物回流莫耳數：設回流 R mol，組成為 23% 硝基苯、77% 氫氣。反應器進料硝基苯 = 100 + 0.23R，單程轉化率 30%，故反應器出口硝基苯 = 0.7(100 + 0.23R)，其值等於產物 10 mol 加上回流 0.23R：0.7(100 + 0.23R) = 10 + 0.23R，整理得 0.069R = 60，R = 869.6 mol。即回流約 870 mol，其中硝基苯 200 mol、氫氣 670 mol。
• 五、查核與討論：反應器進料為硝基苯 300 mol、氫氣 360 + 670 = 1030 mol；反應掉 90 mol 硝基苯與 270 mol 氫，出口為 210 mol 硝基苯、760 mol 氫，分流後 200 mol 與 670 mol 回流、10 mol 與 90 mol 排出，平衡閉合良好。若將 20% 過量定義為對實際反應量 270 mol 之過量，則新鮮氫為 324 mol、產物氫氣改為 54 mol，回流 R 不受影響（仍約 870 mol），考生宜註明所採定義。

AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。

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