化學工程 102 年化學程序工業考古題

說明下列名詞。（每小題5 分，共20 分） 乳化聚合 化學機械研磨（Chemical Mechanic Polishing） 爆炸下限（Lower Explosive Limit）和爆炸上限（Upper Explosive Limit） ABS 樹脂

下列參數常用來評估化工程序之效率，請以甲苯與氫反應製備苯之化工程序，如下 圖，計算並說明下列參數意義：（每小題5 分，共20 分） 原子經濟（atom economy） 單程轉化率（single pass conversion） 總轉化率（overall conversion） 產率（yield）

1938 年美國杜邦公司Carothers（聚縮合反應之父）發明耐隆66（nylon 66）造成大轟動， 歐洲為了突破專利而開發耐隆6（nylon 6），此兩種重要的合成聚醯胺（Polyamide）纖維 之性質有何差異？（5 分）略述各別的製造方法。（15 分）

請說明： 何謂岩頁油（Shale Oil）？如何提煉？（10 分） 何謂共沸蒸餾？請以乙醇與水為例說明。（10 分）

一般化學工業觸媒與生物界的酵素的作用，有那些地方相同？有那些地方不同？（20 分）

在一般化工廠中，常在製程區中連續自動採樣空氣以監測製程洩漏狀況，今將採得 之空氣樣品透過四分之一英吋管（1/4”）輸送至125 英呎（ft）外分析儀器分析，四 分之一英吋管之外徑為0.25 吋（6.35 mm）而管厚為0.030 吋（0.762 mm），在 25oC、1 atm 下取樣，其速率為10 c.c./sec，而儀器分析需要5 sec，當製程洩漏時， 則儀器至少需要多久才能偵測到洩漏？若製程使用氯氣，其危害性高，則有何方法 縮短取樣時間？（1 ft = 30.48 cm）（20 分） 反應器 甲苯 10 t/hr 氫氣 0.82 t/hr 氣液分離器 蒸餾 苯8.21 t/hr 甲苯0.038 t/hr 燃料氣2.61 t/hr 甲苯0.029 t/hr 苯0.20 t/hr 甲苯3.25 t/hr 甲苯 3.38 t/hr 102年公務人員升官等考試、102年關務人員升官等考試 102年交通事業郵政、港務、公路人員升資考試試題 等別(級)： 薦任 類科(別)： 化學工程 全一張 （背面） 節流閥 閘閥 控制閥 e c b a d 閘閥 廢液回收系統 節流閥Globe valve 控制閥Control valve 閘閥Gate valve

描述及說明晶圓廠「點砂成鑽」（由矽砂石轉成鑽石(晶片)）製造流程圖。（20 分）

工廠乾燥廢氣流量Fin 為15 kg mole/h 含10 mole%揮發性有機物（VOC）由洗滌塔 底部進入，而乾淨水（流量W 45 kg mole/h）由頂部噴灑而下，如下圖所示，經洗 滌後之乾淨尾氣含2 mole%水從頂部排放，其流量為Fout，而底部含VOC 廢水再經驟 餾分離器（flash separator）分離，若其平衡關係為y = 30 x（x，y 分別為該VOC 在 液相與氣相中之莫爾分率），且x = 0.03，求回收氣流量（V）及廢液流量（L）。 （20 分）

工業廢氣中粒狀污染物的常用去除方式有那些？（20 分）

鉛在工業上有很多用途，鑄造時為避免鉛蒸汽溢出，乃將其導入冷凝裝置中使其冷 凝回收，今有一股鉛蒸汽進入冷凝器之溫度為1844℃而冷凝後為200℃，試求冷凝 過程中每公斤莫耳鉛之焓變化（enthalpy change per kg mol of lead）。（20 分） 相關資訊： 熔點（Melting point of lead）：327.4℃ 沸點（Boiling point of lead）：1744℃ 比熱資料（Heat capacity data）：J/（g．mol）（K）with T in K： 固體（Solid）：24.0 + 0.05 T 液體（Liquid）：6.8 蒸汽（Vapor）：20.8 融解熱（Heat of fusion）：5.121 kJ/g．mol 汽化熱（Heat of vaporization）：175.98 kJ/g．mol

敘述工業界高分子聚合技術中，懸浮聚合法（Suspension polymerization）及乳化聚合法 （Emulsion polymerization）之異同點，（10 分）並敘述二者之優劣點。（10 分）

下圖為簡要PID 圖，請針對圖面部分指出其錯誤與正確表示方式，並說明原因（註： 真正PID 圖很複雜，針對此圖即可，無須詳述PID 圖之可能細節）。（20 分） 洗 滌 塔 驟餾分離器 經處理後廢氣Fout 含2 mole%水 水, W 欲處理之廢氣 10 mole%VOC Fin 回收氣流 y, V 廢液 x =0.03 , L 閘閥 廢液處理 系統 廢液處理 系統 廢水處理 系統 儲槽 LI FI FT FE 8" Sch 40 P-301 P-302 4" Sch 40 FICA 301 PCV 301 102年公務人員高等考試一級暨二級考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面）

簡述以半透膜法電解食鹽水製造氫氧化鈉的原理和優點。（20 分）

控制閥管路如下圖所示，在正常操作下，閥a, c 是打開的而閥d, e 是關閉的： 回答以下問題：（每小題5 分，共20 分） 當控制閥故障需換修時，其他閥如何動作使控制閥得以順利更換，而不致製程停 止進行？ 若管內流體為水蒸汽，上圖應作何修正？ 因閘閥價格低，建議將節流閥以閘閥取代，對製程有何影響？ 若將旁路（bypass）管線及閥d 移除，對製程有何影響？

將100 克Na2SO4 溶入200 克水中，冷卻至100 克的Na2SO4·10H2O 結晶析出，求： （分子量Na2SO4：142.05；H2O：18.016 克/莫耳） 剩餘溶液（母液(mother liquor)）的組成。（15 分） 每100 克原溶液有幾克結晶析出？（5 分）

丙酮可經由異丙醇脫氫而製得，此製程優點為製造過程中無芳香族化合物參與，因 此為藥廠所偏好，其反應式如下： (CH3)2CHOH ⎯→ ⎯ (CH3)2CO + H2 反應在350℃及2 bar 下進行，而反應器轉化率可達90%，試設計反應後之混合氣體 之分離系統？請繪流程圖說明。（20 分）

製造雙氧水（H2O2）的製程在下圖，有機物A的氫化和有機物B的氧化反應式如 下列兩式分別進行，使用純氫氣在氫化槽進行氫化，進料氫氣完全用完。使用空 氣在氧化槽進行氧化，有85 mole%的進料氧被反應消耗掉。蒸發槽將未反應的氧 和氮排出，產物H2O2在液相萃取槽加水提取，生成25 wt%的雙氧水溶液，有機物 （90 mole%A+10 mole%B，不含水）再循環回氫化槽。假設有機物（A 和B）在蒸 發槽和萃取槽沒有損失。如果每天要生產1000 kg的雙氧水溶液，計算氫、空氣 和水的每日進料量（kg/天）；計算有機物（A和B）總莫爾數在製程內所需的循 環量。（20 分） 氫化反應 A+H2ÆB 氧化反應 B+O2ÆA+H2O2 分子量：H2O2 34 g/mole，H2 2 g/mole，O2 32 g/mole，N2 28 g/mole，H2O 18 g/mole 空氣成分：79 mole% N2, 21 mole% O2

苯乙烯（styrene）可由乙苯（ethylbenzene）脫氫而得，反應壓力1.4 bar，溫度為 850 K，採用含鐵觸媒催化以抑制副反應之發生，即乙苯之氫化產生副產物甲苯， 請回答以下問題： 請寫出正副反應式。（5 分） 請依上述資訊規劃製程流程。（10 分） 此為可逆反應，請說明如何提高乙苯轉化率，此時製程流程有何變動？（5 分）

在蒸發裝置中注入含34.5 wt% 的 K2SO4水溶液，蒸發出2900 kg/hr 的水分，另外流 出蒸發裝置為濃縮液含50.6 wt% 的K2SO4，將此濃縮液注入結晶罐中冷卻使K2SO4 結晶析出，並加以過濾，得濾餅含純K2SO4 結晶，濾液則含37.6 wt% 的K2SO4，濾 餅中K2SO4結晶占95 wt% 的濾餅重： 繪出流程圖並加以標示成分。（5 分） 計算K2SO4 水溶液進料速率（單位為kg/hr）。（5 分） 計算K2SO4 結晶產生速率（單位為kg/hr）。（10 分）

連續式攪拌反應槽（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）R-501，如下圖所示， 正在進行放熱性之液相反應（liquid-phase exothermic reaction），放出之反應熱使部 分液體氣化，氣化之蒸氣進入冷凝器E-501，冷凝後之冷凝液送回R-501。反應器 在內容物之沸點（boiling point of the mixture in the CSTR）下操作，產生之蒸氣包含 反應物及產物，請設計控制系統，繪圖說明如何適當控制反應器R-501 之溫度； 反應器R-501 之滯留時間（residence time）；當下列情形發生時，說明您設計之 控制系統如何回應（response）當反應器R-501 之進料量增加時；當熱交換器 E-501 之效率降低時（如水垢產生）。（每小題5 分，共20 分） R-501 E-501 冷卻水