化學工程 103 年程序設計考古題

以鐵鉬氧化物為觸媒之固定床反應器，進行甲醇氧化以製造甲醛的程序。 試寫出化學反應式。（5 分） 若以空氣為原料，求出完全反應時，進料之甲醇與空氣的莫耳比。（5 分） 甲醇在空氣中的最低與最高爆炸限度（limits of flammability）是6%與36% v/v。 若依之進料比，會引起爆炸。請說明閃點、燃點及爆炸限度的意義。（5 分） 在安全的考量下，若以串連的反應器，將甲醇分段加入（見圖一），使其不會達 到最低爆炸限度。假設空氣進料量為100 mol/s，請概述其設計及流程。（包括需 要幾個反應器？甲醇對各反應器之進料量各是多少？）（10 分）

一工廠以單效蒸發器生產一產物，產量10,000 t/y。生產成本為 $200/t。今有提議增 建設備成雙效蒸發器。投資成本 $2,500,000，可將生產成本降為 $120/t。請問此項 投資的還本時間（pay-back time）在利率為0、5%、10%、15%之狀況下，各為多 少？請詳述計算所做的各項假設。（25 分）

如圖二所示，以超過濾（ultrafiltration）來濃縮一溶液，假設溶質無法穿過薄膜，而溶 劑的穿透率J，在濃度極化（concentration polarization）的狀況下，可用下式表示： J = 1.5 × 10-5 ln (50/c)（m/s or m3/m2-s） 其中c (g/l)為溶質在濃縮側的濃度。 請說明濃度極化現象在超過濾操作上的意義。（5 分） 含有溶質濃度(c0) 0.5 g/l 的溶液，流量(Q0)為0.001 m3/s 需要濃縮到(c1) = 2.5 g/l。 試問所需之過濾面積(A)。（假設濃縮側之溶質濃度為c1）（10 分） 承題，若將上述程序改為兩階段濃縮，第一階段濃縮至1.15 g/l，第二階段濃縮 至2.5 g/l，則兩階段合併需要多少過濾面積？（10 分） cc c1Q1 c0Q0 QP = J A 反應器1 反應器2 空氣100 mol/s 甲醇 圖一 圖二 103年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 全一張 （背面）

氨氣（NH3）與空氣中的氧氣反應，是製造硝酸（HNO3）的一個步驟。 試寫出此一反應式。（5 分） 若氧氣較理論需要值過量20%，試問氨氣與空氣之體積比。（5 分） 在20℃，101.3 kPa 下，以所得之比例之氨氣與空氣混合後，進入一觸媒反應器， 進行下列反應： 4NH3 + 5O2 Æ 6H2O + 4NO 反應率為85%。試問此一觸媒反應器進料與出料之莫耳組成。（10 分） 從觸媒反應器出來的氣體繼續反應，其中的NO 最後有90%轉化為HNO3，計算 每一公斤氨氣進料可產生之硝酸重量。（5 分）