化學工程 109 年化學程序工業考古題

近期受到新冠肺炎疫情蔓延的影響，全國民眾使用75%酒精（體積百分 比）的頻率大幅增加，某一廠商受限工廠人手有限，也為了減少運輸成本， 採取直接販售95%酒精的方式出貨，但是每一包裝瓶內並未裝滿95%酒 精，而是請使用者於使用前，自行用水填滿原包裝瓶，即可調製成75%酒 精後使用。假設加水調配時的體積可以直接加成，每一包裝瓶的滿瓶容量 是一公升。試問：（每小題7 分，共28 分） 工廠在出貨時，應先填裝入多少毫升的95%酒精？ 消費者在使用時，還要再加入多少水，才能調製成75%酒精？ 由於新冠肺炎疫情持續蔓延全球，各國的75%酒精使用量大增，許多地方 都已經買不到了。此時，有人提議改用低濃度次氯酸水（Hypochlorous Acid）作消毒殺菌，並建議大家可以用電解低濃度食鹽水的方式自製次氯 酸水。請問： 電解低濃度食鹽水時，陽極與陰極的主要反應分別為何？ 繼而產生次氯酸的化學反應式為何？

何謂綠色化學製程？有何重要性？（20分）

臺灣跟某國簽訂一個天然氣長期供應契約，但是該國所供應的天然氣中， H2S 的含量高達1,000 ppm（parts per million），不符我方標準，因此，乃 要求將原1,000 ppm 含量的H2S 降低至1 ppm。工程單位提出先透過一個 可連續操作的吸收塔，用水吸收大部分的H2S，但是其H2S 的含量仍高達 50 ppm，需再使用一個僅能半連續式操作的吸附塔，使用ZnO 吸附絕大 部分剩餘的H2S，其中吸附劑ZnO 吸附了H2S 之後轉變為ZnS。天然氣 經過此一製程，即可符合我方要求的標準。這些吸收劑（水）或吸附劑 （ZnO）均需再生後循環使用，其中水的再生可以使用一般可連續操作的 蒸餾塔即可，ZnS 經氧化再生後可以得到SO2 並恢復原先具備吸附功能的 ZnO，但是無論是吸附或是氧化再生，都只能採用批次的方式操作。 試根據上述敘述，繪出此一製程之流程圖，並標示各單元各股流程可能的 進、出料成分。（24 分）

試述金屬礦還原的三種常用方法。（20分）

大豆油是一種又便宜又營養的食用植物油，全球的總使用量很高。生產大 豆油時，需先將大豆破碎、加熱至攝氏60 至90 度、軋成薄片，再用己烷 萃取。取得的大豆油經過精煉、氫化，即可以植物油的形式出售。圖中所 示是使用己烷（hexane）萃取大豆油的理想製程，試根據圖中所給予的數 據，計算②、③、⑤、⑥的流量及成分（wt%）。（20 分）

有不可逆一階反應（1st order reaction）AB，在一個連續式攪拌反應槽 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）進行，假設反應前後流體密度 均不變，在進料體積流量10 dm3/min，反應速率常數k = 0.23(1/min)條件下， 如果要達到90%的轉化率，需要反應器的體積多大？（20分）

某一座食品加工廠，在整廠製程的不同單元中，分別需要使用攝氏100 度 的熱水以及攝氏100 度的飽和水蒸汽，熱水與飽和水蒸汽係透過一個燃燒 天然氣（假設全部是甲烷）的鍋爐，加熱30℃常溫水所提供。已知此常溫 水的進料流量是每小時26,000 公斤，天然氣的消耗量是每小時300 公斤， 每公斤天然氣的燃燒熱是55 百萬焦耳，攝氏100 度熱水的蒸發熱大約是 每10 公斤23 百萬焦耳。在此問題中，假設熱效率為100%，且可忽略熱 損失。（每小題14 分，共28 分） 試計算此一鍋爐每小時能各供應多少熱水與飽和水蒸汽？ 如果製程每小時需要各13,000 公斤的攝氏100 度熱水以及攝氏100 度 飽和水蒸汽，則此一鍋爐的每小時天然氣消耗量將是多少？ 前處理後之大豆 100 kg/min 大豆油35 wt% 蛋白質45 wt% 纖維等20 wt% 3 1 2 4 己烷

一個火爐的熱絕緣牆有三層結構，防火磚，隔熱磚，普通磚，厚度和熱傳 係數如下列所示，防火磚內層表面溫度982℃，普通磚外面表層溫度49℃。 計算：（每小題10分，共20分） 火爐向外面的熱損失多少（kcal/hr·m2）？ 介面層的兩個溫度（T2, T3）各是幾℃？ 厚度（cm） 熱傳係數（kcal/hr·m·K） 防火磚 15.3 1.414 隔熱磚 10.2 0.208 普通磚 10.2 1.191

工業生產漂白水通常用下列的反應製造。將氯氣（Cl2）注入氫氧化鈉 （NaOH）的水溶液，生成產物NaOCl（sodium hypochlorite）和副產物NaCl 和水。 Cl2 + 2 NaOH NaCl + NaOCl + H2O 現有氫氧化鈉的水溶液含1145 kg純NaOH，和851 kg的氯氣反應，生成 618 kg的NaOCl。（每小題5分，共20分） 在反應中，那一項反應物是被限量的？ 在反應中，那一項反應物是超量供給多少百分比（重量%）？ 以Cl2使用量，NaOCl的產率（Yield）是多少？（以重量為基礎） 反應程度（Extent of reaction）是多少？ （分子量 Cl2：71.00；NaOH：40.01；NaOCl：74.50；H2O：18.00） ℃ ℃

己烷、大豆油 大豆油 己烷 300 kg/min 蛋白質 纖維等 己烷3 wt% 萃取 大豆油 回收 大豆油