民國114年 地方三等 化學工程 反應工程及單元操作
第1題
在化學製程設計中，選擇適當的反應器型式是達成目標轉化率與操作穩 定性的關鍵。請回答下列問題： 請說明要設計一個液相不可逆反應時，在選擇使用管式反應器（PFR）…
題目
在化學製程設計中，選擇適當的反應器型式是達成目標轉化率與操作穩 定性的關鍵。請回答下列問題： 請說明要設計一個液相不可逆反應時，在選擇使用管式反應器（PFR） 或連續攪拌反應器（CSTR）時應考量的因素（至少列舉四項說明）。 （12 分） 對於一個一級液相不可逆反應A→B，其速率常數k=0.30 min⁻¹，進料 濃度CA0=1.0 mol/L，流量F=10 L/min。 ⑴若反應器為PFR，目標為轉化率75%，求所需體積。（5 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、反應動力與濃度效應：PFR沿管長形成濃度梯度，反應物濃度由進料端逐漸降低；CSTR因強烈攪拌，槽內濃度均勻，出口濃度等於槽內濃度。對正級數反應，PFR平均反應速率較高，達同一轉化率通常所需體積較小；CSTR在低濃度下操作，體積需求較大。設計時須先確認反應級數、速率式、目標轉化率與選擇性。
- 二、熱效應與操作穩定性：放熱反應須比較移熱能力與溫度控制。CSTR混合均勻，槽溫近似一致，配合夾套、冷卻盤管或外部熱交換器較易控制，對靈敏反應及防止熱失控有利；PFR沿程放熱可能產生熱點，需採分段冷卻、較小管徑、多管並聯或較大長徑比，以避免局部過熱與副反應。
- 三、流體性質、固體物與停留時間：若液體黏度高、含懸浮固體或觸媒漿料，CSTR較不易沉積與堵塞，但PFR需維持足夠流速並考慮壓降與清洗。停留時間分布方面，CSTR分布較寬，PFR接近活塞流、分布較窄；若副反應或串聯反應對停留時間敏感，PFR通常可得較高選擇性。
- 四、放大、經濟與維護：PFR可按管長、管數或並聯模組放大，單位體積產能高、設備成本常較低，但壓降、熱傳與清洗維護須評估；CSTR放大受混合效率、死區及熱傳面積限制，常以多槽串聯改善。另須考量廠址空間、安全法規、操作彈性、控制難易與停車清洗頻率。
- 五、PFR體積計算：一級不可逆反應之設計式為V=F/k×ln[1/(1-X)]。代入F=10 L/min、k=0.30 min⁻¹、X=0.75，得V=(10/0.30)×ln(1/0.25)=33.33×1.386=46.2 L。計算假設液相密度固定、體積流率恒定、等溫操作且無壓降影響；所需PFR體積約46.2 L。
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。