高考申論題
113年
[化學工程] 反應工程及單元操作
第 一 題
📖 題組：
設計年產 100 百萬磅（lb）乙烯的工業級製程，已知反應器內反應為乙烷裂解生產乙烯，反應器操作在 1100 K 與 6 大氣壓下且乙烷轉化率為 80%。
設計年產 100 百萬磅（lb）乙烯的工業級製程，已知反應器內反應為乙烷裂解生產乙烯，反應器操作在 1100 K 與 6 大氣壓下且乙烷轉化率為 80%。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
選用何種反應器較合適並說明原因？（5 分）
思路引導 VIP
本題為實務設計題。關鍵字：「乙烷裂解」、「生產乙烯」、「1100 K (高溫)」、「工業級大產量」。在高溫氣相裂解製程中，通常不會使用批次反應器（產能低）或 CSTR（氣相高溫難以密封與均勻攪拌）。首選是 PFR（管狀反應器/塞流反應器）。需列舉 PFR 在此情境下的優點（如無動件、易承受高溫高壓、熱傳面積大）。
小題 (二)
如何決定該反應器之膨脹係數（expansion factor, ε）？（5 分）
思路引導 VIP
計算膨脹係數 ε = yA0 * δ。首先要寫出化學反應式：C2H6 -> C2H4 + H2，確認計量係數。接著找出 δ（每莫耳反應物反應掉時，總莫耳數的變化量）。最後判定入料的莫耳分率 yA0（題目未特別提及惰性氣體，通常假設為純乙烷入料，即 yA0 = 1）。
小題 (三)
假設乙烷入料濃度為 0.00415 lb mol/ft3 及反應速率為−rA = 3.07 CA，試求反應器體積為多少 ft3？（10 分）
思路引導 VIP
這是變容 PFR 的經典計算題。
- 先釐清單位與產能：年產量 100×10^6 lb 乙烯。需將其換算為莫耳流率 (lb mol/time)。要注意題目沒給年運轉時間，需自行合理假設（如 365天×24小時或 330天）。另，速率常數 k=3.07 沒給單位，合理推測是 1/sec 或 1/hr。考量到化學反應速率，1/sec 是常見設定，但須標明假設。建議將時間單位統一。