高考申論題
114年
[化學工程] 反應工程及單元操作
第 一 題
📖 題組：
氣相反應 A + B → C + D 在一恆溫填充床反應器（packed bed reactor）內以固體觸媒 X 進行非均相催化。透過微分反應器（differential reactor）量測，觀察到 A 的反應消耗速率（−r'_A）有以下四種趨勢：在其它分壓不變下，增加 A 的分壓導致−r'_A先線性上升再持平；在其它分壓不變下，增加 B 的分壓導致−r'_A持續線性上升；在其它分壓不變下，增加 C 的分壓導致−r'_A持續線性下降；在其它分壓不變下，增加 D 的分壓對−r'_A沒有影響。
氣相反應 A + B → C + D 在一恆溫填充床反應器（packed bed reactor）內以固體觸媒 X 進行非均相催化。透過微分反應器（differential reactor）量測，觀察到 A 的反應消耗速率（−r'_A）有以下四種趨勢：在其它分壓不變下，增加 A 的分壓導致−r'_A先線性上升再持平；在其它分壓不變下，增加 B 的分壓導致−r'_A持續線性上升；在其它分壓不變下，增加 C 的分壓導致−r'_A持續線性下降；在其它分壓不變下，增加 D 的分壓對−r'_A沒有影響。
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
試詳述微分反應器的運作概念。（5 分）
思路引導 VIP
看到「微分反應器」，應立刻聯想到「轉化率極低」與「觸媒裝填量極少」的核心特徵。接著結合填充床反應器（PFR）設計方程式，說明因濃度梯度極小使反應速率可視為常數，從而將積分式簡化為代數式，這也是實驗室測定觸媒反應動力學參數的常用方法。
小題 (二)
試推導此非均相催化的反應速率定律式，並求得在反應溫度較高時的反應級數（reaction order）。（15 分）
思路引導 VIP
本題測驗非均相觸媒反應動力學的 LHHW/Eley-Rideal 模型推導。看到四種分壓對反應速率的影響趨勢，應立刻聯想各成分在速率方程式（Rate law）分子與分母的位置：A 先升後平表示 A 會吸附在觸媒表面（出現在分子與分母）；B 持續上升表示 B 不吸附或極弱吸附，直接與表面 A 反應（Eley-Rideal 機構，僅出現在分子）；C 導致速率下降表示 C 為產物抑制劑，會競爭吸附位（出現在分母）；D 無影響表示 D 不吸附。接著利用吸附為放熱反應的熱力學特性，推論高溫下吸附常數趨近於零，進而求出極限狀態的反應級數。
非均相催化速率式推導
💡 利用分壓實驗趨勢判斷吸附機制，推導 L-H 模型速率式。
🔗 非均相催化速率式建立流程
- 1 實驗趨勢分析 — 觀察各成分分壓與速率關係，識別吸附、抑制與不影響項。
- 2 建立機構假設 — 設定表面反應為決速步，列出各成分之吸附等溫線方程。
- 3 代數推導速率式 — 將覆蓋率代入反應式，整理出含分壓之分式方程式。
- 4 極端條件簡化 — 分析高低溫或高低壓極限，決定其反應級數之漸進值。
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🔄 延伸學習：延伸學習：從速率式形式判斷是否符合多分子位點吸附或單一位點吸附。
