化學工程 104 年化學程序工業考古題

頁岩氣中含有甲烷及少量的乙烷及丙烷，若將乙烷分離出來可製成乙烯，乙烷製成 乙烯有兩種方法，一種是水蒸氣反應，一種是與氧反應，請敘述此兩種方法的反應 式及其適合操作的有利反應條件（溫度及壓力）及其優缺點。（10 分）

說明含鉻離子電鍍廢水的處理方式。（10 分）

針對揮發性有機物（VOC）儲槽之運作：（每小題10 分，共20 分） 何謂透氣損失？ 請說明其可行控制技術為何？

說明頁岩油（Shale oil）與石油的區別？（6 分）兩者開採方式有何不同？（6 分）

請說明汽油與柴油的不同處。（5 分） 生質柴油的製法為何？請以化學反應式說明。（5 分） 工業上製造對-二甲苯（para-xylene）的方法主要有甲苯歧化（disproportionation） 及烷基轉化（transalkylation），請詳述此兩種製程。（5 分）

某化工廠採用三種原料（A、B 及C）生產三種產品（E、F 及G），但原料供應是 有限的，而其相關最大供應量、成本及銷售價格見下列二表，這三種產品的生產過 程如圖一。寫出其求解的目標函數與相關方程式，使每天的操作利潤最大，但不需 求解出答案。（20 分） 原料 最大供應量（kg/day） 成本（仟元/kg） A 40000 1.5 B 30000 2.0 C 25000 2.5 Process 產品 所需的反應物 （kg/kg 產物） 操作成本 （仟元/kg 產物） 銷售價格 （仟元/kg 產物） 1 E 2 1 A, B

蒸餾在化學工業仍是主要分離程序，傳統蒸餾程序若要分離N 成分混合物至少需要 （N－1）支蒸餾塔，今有一混合物含3 成分（A、B 及C），其中C 沸點最高而A 最低，若欲分離出此三種物質，蒸餾順序有那些可能方式（用流程圖表示）？並說 明其設計準則為何？（20 分）

敘述精餾的原理。（4 分）精餾穩定操作的必要條件是什麼？（4 分）如何得到最 佳的回流比？（4 分）

二氧化碳的再利用是一熱門的話題，二氧化碳與氫氣反應可生成甲醇，請寫出其 反應式，並敘述此方法的優缺點。（5 分） 依其反應式，此反應為放熱反應，理論上在低溫操作下有利，但至今沒有好的反 應製程可在低溫下操作，請敘述其原因。（5 分） 氫氣的來源主要是由甲烷蒸氣重組產生，但此反應會產生二氧化碳，因此對於減 少二氧化碳的排放並沒有好處，因此有人利用二氧化碳與碳反應產生一氧化碳， 再與氫來反應，請敘述此製程的優缺點。（5 分）

3 1.5 4.0 2 F 2 1 A, B 3 3 0.5 3.3 3 G 1 1 1 A, B, C 2 6 3 1.0 3.8 Process 1 Process 2 Process 3 E F G A B C 圖一 多產品工廠生產流程 104年公務人員升官等考試、104年關務人員升官等考試 104年交通事業公路、港務人員升資考試試題 代號：26540 全一張 （背面） 等 級： 薦任 類科（別）： 化學工程 科 目： 化學程序工業（包括質能均衡） 三、考慮蒸餾塔的氣提段（Stripping Section）（如圖二）的控制設計，其中有三個量測 變量（塔溫度、蒸氣流量以及出口組成）。 設計與說明多個串級的控制回路，以便能有效的控制保持出口產物的組成。 （12 分） 畫出對應的方塊圖，並在此方塊圖上標示所有對應的變量。（13 分） 圖二 蒸餾塔氣提段的量測點與控制閥

有一股混合醇含甲醇85 mol%、乙醇14 mol% 及水1 mol%，分別經由催化進行下 列反應：（每小題10 分，共20 分） 2 CH3OH (CH3)2O + H2O； 2 C2H5OH (C2H5)2O + H2O； 若目標是生產50,000 噸/年之二甲基醚（dimethyl ether, DME），試估算二乙基醚 （diethyl ether, DEE）之產量為何？（1 噸 = 1,000 kg） 甲醇及乙醇之單程轉化率（single pass conversion）均為80%，求其個別回流量 （recycle）為何？

在吸收操作過程中，試敘述雙膜理論的原理。（8 分）

今有一工廠使用天然氣甲烷作為鍋爐的燃料，但環保監測人員在20 天中照了煙囪 的照片顯示有濃煙，廠長知道工廠的鍋爐正常運作，不會有空氣污染的問題，他認為 是旁邊一家工廠使用以煤為原料導致的污染。100 kg 的煤含有71 kg 的碳和5.6 kg 的 氫氣。請計算為何燃燒天然瓦斯的工廠的煙囪比燃燒煤的工廠有較濃的煙。（20 分）

在穩定狀態下，水（密度為63.2 lbm/ft3）流入一個渦輪機，進口之壓力為5 atm，流 速為100 ft/sec，而出口之壓力為1.2 atm，流速為10 ft/sec，進口較出口低2 ft，若渦 輪機的效率為72%，並且管路中的損耗可忽略，求渦輪機作功的能量損失為多少？ （20 分）

有一反應器內含殼管式熱交換器，熱油流經管外提供熱量以維持反應進行，目前操作條件 參考下圖所示，針對下列節能方案，評估其節能成效？（每小題10 分，共20 分） 反應器出口物流預熱進料物流，使其由150℃升至250℃。 二股物流改為countercurrent。 註：假設流體物化特性保持不變 反應出料 350℃ 熱油410℃ 熱油360℃ 反應進料150℃ 104年公務人員高等考試三級考試試題 全一張 （背面）

寫出PID 控制器的數學模式並說明，（6 分）為何I 控制可消除偏差（Offset）。 （7 分）

蒸發罐（boiler）內的管子會被水中的氧氧化，可加入亞硫酸鈉以去除水中的氧，其 反應式如下： 2Na2SO3+O2→2Na2SO4 請計算83,330,000 磅的水，其含有10 ppm（百萬分之一）溶解的氧，加入35%過 量的亞硫酸鈉，須加入多少磅的亞硫酸鈉？（20 分）

在一吸收操作中，利用吸收液吸收惰性氣體中的吸收物，而進料中每100 lb mole 的 惰性氣體含可吸收物2.5 lb mole。操作以逆流方式進行，由塔頂淋下純的吸收液。平 衡關係為y = 5x2（y 為每磅莫耳惰性氣體中可吸收物料的磅莫耳，x 為每磅莫耳 之吸收液中含可吸收物料的磅莫耳）。若離開塔之氣體中，每100 lb mole 惰性氣 體含可吸收物2 lb mole。 吸收後液體最高濃度為何？（8 分） 液體與氣體的最小莫耳流速比為何？（8 分） 若使用2 倍最小莫耳流速比，說明如何求出所需的板數。（9 分） TT FT AT Steam

環氧乙烷是重要工業原料，用來製造乙二醇及某些塑膠，通常由乙烯經銀觸媒催化 氧化而得，副反應為乙烯之劇烈氧化生成二氧化碳及水，其選擇性受製程條件 影響，正常操作溫度約在225 ~ 275℃間，而單程轉化率低有助於環氧乙烷生成。 （每小題10 分，共20 分） 請用流程圖說明製造流程。 乙烯氧化常有工安風險，如何解決？請用簡易流程圖說明其進料聯鎖（interlock） 系統。

利用水將空氣中的氨於吸收塔中移除，塔操作在60 ℉，氣體進料為1500 ft3/hr，而 水中不含氨的流量為75 lbm/hr。如果經由吸收後，氨的含量由3.52 %（體積）降至 1.29 %（體積），試求液與氣流量比？不必完整求解出答案，但相關的計算與說明 必須提供。已知氨的平衡數據為：（20 分） 3 2 3 2 NH H O(lbmoles NH lbmoles H O) 0.016 0.025 0.035 0.046 0.072 3 2 3 NH H O(lbmoles NH lbmoles Air ) 0.021 0.032 0.042 0.053 0.08

加熱釜含有1,000 罐紅豆湯，今將其全部加熱到100°C，若在其將所有的罐移出加 熱釜前需要冷卻至40°C，若冷卻水的進口溫度是15°C，出口溫度是35°C，紅豆湯 的比熱是4.1 kJ/kg °C，罐子的比熱是0.50 kJ/kg °C，每個罐子的重量是60 克，其 內含有0.45 公斤的紅豆湯，假設加熱釜的壁在超過40°C 時其焓（heat content）是 1.6×104 kJ，加熱釜的壁完全隔熱，請計算須使用多少冷卻水？（20 分）

在一串聯數個連續式攪拌反應器（Continuous stirred tank reactor），說明如何利用圖 解法求出串聯所需的反應器數目。（15 分）

在一鍋爐的液位控制系統中，如下圖，當在蒸氣需求有很大的改變時，操作的程序 會變得非常敏感，甚至造成水位震盪或不穩定的行為。說明如何設計一前饋與回饋 控制（Feedforward and feedback control）（10 分）。並畫出其對應的方塊圖（Block diagram）（10 分）。 To Steam Users Make-up Water LT