化學工程 101 年化學程序工業考古題

儘可能寫出製造塑膠之原料。（10 分） 說明合成塑膠之四種聚合方法。（10 分）

關於蒸餾塔之設計與操作，請簡要說明如何選定其最佳操作壓力與回流比。（20 分）

醋酸乙烯單體為工業上重要的原料，係利用乙烯、醋酸和氧氣反應，在固定床觸媒 存在下，以氣相反應生成。請以化學反應式說明此製程。（10 分）

以發酵方式來製造酒精的原料有那三類（各類都請舉例）？（10 分） 說明發酵方式製造酒精之程序步驟。（10 分）

有一蒸餾塔在常壓下蒸餾苯與甲苯之混合物，其進料為100 kg mol/h（54.4℃）含苯 45 mol%及甲苯55 mol%，分離後塔頂蒸氣全冷凝成飽和液體（81.1℃）含苯95 mol%， 而塔底液體（108℃）含甲苯90 mol%。若回流比為1.755，求： 冷凝器之熱負荷。（10 分） 再沸器之熱負荷。（10 分） 苯與甲苯資訊 物質 沸點 比熱（kJ/kg mol K） （heat capacity） 氣化熱 （latent heat of vaporization） （℃） 液體 氣體 （kJ/kg mol） 苯 80.1 138.2 96.3 30820 甲苯 110.6 167.5 138.2 33330

四氫呋喃（tetrahydrofuran）是一種無色揮發性環脂醚，四氫呋喃可由1,4-丁二醇經 由脫水而得到。請以化學反應式說明此製程。（10 分）

水的處理有三個目的：軟化（去除或降低水的硬度）、淨化（去除雜質、有機物 和微生物）、純化（取得近於純水的水），請針對每個目的寫出所有可行的方法。 （15 分）

針對以下製程，請繪其程序流程圖（process flow diagram）及簡單控制迴路，必要 時，使用之程序符號請說明：（20 分） ACO由廠外進入壓力容器（V-101）中，從V-101 由泵浦（P-101A/B）輸送，流量由 泵浦出口之流量控制閥控制，經加熱爐（H-101）加熱至340℃，再入反應器（R-101） 反應，反應器為一填充床，轉化率為40%；離開R-101 之流體利用壓差先進入氣液 分離塔（S-101）分離出氣體產物，塔底之熱液體進入廢熱回收鍋爐（E-101）冷卻 至160℃，使殼側鍋爐水（bfw）產生中壓蒸氣（mps），製程液體出口溫度之控制， 藉由調整E-101 之液位控制器（level controller）之設定點（set point）來達成，E-101 之液位控制器同時也用以控制鍋爐之進水量。 其中ACO：Acetylated Castor Oil，bfw：boiler feed water，mps：medium pressure steam。 P：pump，H：fired heater，E：heat exchanger，V：vessel，R：reactor，S：separator。

何謂輕油裂解？何謂重油裂解？請說明之。（10 分）

假設一天然氣含甲烷（CH4）：78.4%和氮（N2）：21.6%，將其送入鍋爐燃燒，同時 亦通入空氣（含氧：21%、氮：79%），所產生之二氧化碳由吸收塔吸收用於製造乾 冰，餘氣則排出，分析此餘氣之成分中含有CO2：1.7%、O2：6.5%、以及N2：91.8%， 請問此CO2之吸收率（百分比）為何？（15 分）

異丙苯（cumene, C9H12）由苯（benzene, C6H6）與丙烯（C3H6）反應而得，當反應 在350℃及3000 kPa進行中遇緊急情況，反應器需做緊急排放。 請以流程圖說明緊急排放時，廢氣進入尾氣燃燒塔（flare）之流程規劃。（10 分） 簡要說明flare 之功能結構。（10 分） 101年公務人員高等考試三級考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面）

在製造生質柴油，最重要的反應是將三酸甘油酯和醇反應生成脂肪酸甲酯（也就是 所謂之生質柴油）還有甘油（副產物）的轉酯化反應。請以化學反應式說明此反應， 並說明此反應以酸性觸媒或鹼性觸媒進行反應何者為佳？（15 分）

有一攪拌良好的水槽在開始時裝有100 公斤的水，將水以每小時100 公斤的流速 （量）流入水槽，同時也每小時加入水槽20 公斤的乾鹽（NaCl），經過完全充分 攪拌後，鹽水以每小時120 公斤的流速（量）流出水槽，請計算2 小時後流出水槽 的鹽水的濃度（重量百分比）？（15 分） （指數值如下：） X -2.4 -1.2 1.2 2.4 exp (X) 0.0907 0.3012 3.3201 11.0231 六、於一彈卡計（bomb calorimeter）中有1 g-mol的銅（Cu）與1 g-mol的硫酸（100% H2SO4 ）完全反應。假設此反應之生成物為氫氣（H2）和固態的硫酸銅（CuSO4），而且彈 卡計中最初和最終的溫度都是25℃，請問多少卡的熱被吸收（absorbed）或放出（ evolved）？題予：【固態硫酸銅的生成熱為（ΔHf CuSO4( ) s ＝-769.86 kJ/g-mol），液態 硫酸的生成熱為（ΔHf H2SO4 ) (l ＝-811.32 kJ/g-mol），氣體常數為8.314 J/g-mol-K】。（ 15 分）

化學反應在一系列四個連續式攪拌反應槽（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 中發生，流程如下圖所示，反應方程式為A ⎯→ ⎯ i K C K V R = B 假設反應在液相中且在穩態 下進行，體積與密度保持不變，速率方程式為 ，其中V：體積， K：速率常數，C：濃度。 Ai i i i V1,CA1,K1 V2,CA2,K2 V3,CA3,K3 V4,CA4,K4 1000 L/hr CA0: 1 mol/L 400 L/hr 200 L/hr 1000 L/hr 反應器 Vi(L) Ki(hr-1) 1 1000 0.1 2 1500 0.2 3 200 0.5 4 400 0.4 試求CA1，CA2，CA3及CA4。（20 分）

以甲醇為原料，製造供燃料電池的氫氣可由三種方式產生，第一種是甲醇分解，第 二種是甲醇與水蒸氣反應，稱為甲醇/蒸氣重組反應，第三種是甲醇與氧反應，稱 為甲醇部分氧化反應。請判斷上述三個反應是否均為放熱反應，並說明其優缺點。 （20 分） 六、鈦可以從二氧化鈦，以兩種方式製備。 第一種方法，是用更活潑的金屬來取代它，如：TiO2 + 2 Mg → Ti + 2 MgO 第二種方法是用電解的方法，如：TiO2→ Ti + O2 原子經濟（atom economy），是判定化學反應轉換效率的指標，其計算方法是將欲 得到的產物總質量除以反應物的總質量。 % 100 × = 反應物總質量 欲得產物總質量 原子經濟百分比 請分別計算上述兩種方法的原子經濟。（10 分） 上述兩種方法中，那一種較為綠色的製程？在決定答案前，還須考慮那些條件？（5 分） 若我們可以賣氧氣，則電解方法的原子經濟為多少？（5 分） Ti 的原子量為47.88，Mg 的原子量為24.35。 七、今有一燃燒天然氣的爐子，天然氣中含有95% 體積的甲烷與5% 體積的乙烷。若提供 20% 體積過量的空氣進入爐子，試計算每莫耳的燃料須提供多少莫耳的空氣？（15 分） 反應式為： CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O C2H6 + 3.5 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

1 2 物流 1 2 3 4 5 6 乙烯 1,564 0 A D G 0 氧氣 0 782 B E H 0 環氧乙烷 0 0 C F I 1,564 合計 1,564 782 1,564 其中莫耳流率的單位為莫耳/小時（mol/h），反應物以莫耳比（即：乙烯/氧氣=2/1） 表示。此流程一次反應產率為50%，分離程序的效率達到100%，且所有未反應之 反應物皆重新回到循環當中。（每小題5 分，共25 分） 何謂質量平衡？ 何謂莫耳平衡？ 寫下在此反應器中之反應的化學平衡式。 在圖表中可看出物流6（stream 6）為純的環氧乙烷，其沸點為286.3K。請建議並 提出理由，用什麼樣的方式來儲存此環氧乙烷較適當？ 請完成物流（stream）3, 4 與5 中A 至I 的莫耳流率（莫耳/小時）。 101年特種考試地方政府公務人員考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面） 四、發電廠所排放之SO2為酸雨的主要來源，在空氣中的SO2會被雨所吸收進而增加湖泊 與河川的酸度。下列表中含有兩種燃料，請選擇那一種燃料在每106 Btu的燃燒熱能 中排放較少的SO2。在廢氣中排除SO2可減少SO2排放到空氣中的量，但會增加成本 ，請一併考慮此因素。（20 分） 六號燃料 二號燃料 密度（lb/ft3） 55.3 57.2 燃燒熱（Btu/gal） 180,000 135,000 碳含量（wt%） 87.0 87.5 氫含量（wt%） 10.8 13.7 硫含量（wt%） 0.72 0.62 灰含量（wt%） 0.02 <0.01 五、在清涼碳酸飲料中，總二氧化碳所需含量為在0℃一大氣壓下每3 體積的氣體對上1 體 積的水。請計算在此碳酸飲料當中二氧化碳的質量分率莫耳分率。註：除了水 與二氧化碳外，其他的物質皆可忽略。（10 分） 六、若一35,000 kg 的全脂牛奶脂肪含量為4%，在經過6 小時的分離程序後，分離出脫 脂牛奶（脂肪含量0.45%）與奶油（脂肪含量45%），請問在此連續式離心機完成 此分離後，出口端的兩物流（脫脂牛奶與奶油）之出口流率為多少？（15 分）