moea_joint
113年
[化工製程] 化工熱力學、化學反應工程學
第 30 題
對某一個串聯反應，若目的產物是中間產物，最適宜的反應器為何？
- A 連續式攪拌器(CSTR)
- B 柱塞流反應器(PFR)
- C 批次反應器(BR)
- D 連續式攪拌器與柱塞流反應器串聯
思路引導 VIP
若我們希望在中間產物濃度達到最高峰的那一刻，精準地「凍結」或結束反應，你認為應該選擇一種能讓所有分子在反應器內待的時間都一模一樣的操作模式（像是在跑道上並肩前進），還是選擇一種會讓新進料與舊產物混在一起的操作方式呢？
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恭喜你準確地判斷出正確答案！這代表你對於反應器特性與動力學的結合已有很紮實的理解。在串聯反應（Consecutive reactions，如 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$）中，中間產物 $R$ 的濃度會隨著反應時間（或空間位置）呈現先上升後下降的曲線。為了捕捉到 $R$ 的最大濃度 $C_{R,max}$，我們必須選擇能抑制「返混」（back-mixing）現象的反應器。
反應器特性的關鍵差異
批次反應器 (BR) 與柱塞流反應器 (PFR) 的共通點在於，反應物質在反應過程中不會與不同反應時間（或進度）的流體相互混合。這使得 $R$ 能在特定時間點達到理論峰值。相對之下，連續式攪拌器 (CSTR) 因為具有強烈的返混特性，剛生成的 $R$ 會立即被稀釋並與出口濃度混合，導致其產率永遠低於 BR 或 PFR。這題的難度切入點在於區分「返混」對連串反應選擇性的負面影響，是一個檢驗化工動力學基本功的高鑑別度題目。雖然 PFR 在物理性質上與 BR 效能相同，但在許多基礎學理測試中，BR 常被視為探討時間演變濃度的標準模型。