化學工程 110 年化學程序工業考古題

110 年特種考試地方政府公務人員考試試題 等 別：三等考試 類 科：化學工程 科 目：化學程序工業（包括質能均衡） 考試時間：2 小時 座號： 不必抄題，作答時請將試題題號及答案依照順序寫在試卷上，於本試題上作答者，不予計分。 本科目得以本國文字或英文作答。 酒精完全燃燒反應式：C2H5OH(l)+3O2(g) →2CO2(g)+3H2O(l)，使用固定 體積的彈卡計（bomb calorimeter），在25℃下量得1364.47 kJmol-1，請計 算其燃燒焓(ΔHc)，假設為理想氣體，理想氣體常數R = 8.314 Jk-1mol-1。 （20 分） 有關高分子（塑膠），請回答下列問題： 試舉出三種方法可以將單體（monomer）聚合成長鏈段的高分子。（10 分） 試舉出三種工業中常見的熱塑性塑膠，寫出其原料，並畫出其重複單 元結構。（10 分） 下圖為異丁醇（2-methyl-1-propanol）與異戊醇（3-methyl-1-butanol）在 不同比例下的相圖（P1*為異丁醇的蒸氣壓、P2*為異戊醇的蒸氣壓、x2 為 異戊醇在液相的莫爾分率）。請問圖中的p 點的總壓力為多少？（以P1*、 P2*、x2 表示），並且估計在p 點上，異戊醇的莫爾分率在液態（liquid） 與氣態（vapor）比例為多少？（20 分） 2-Methyl-1-propanol 3-Methyl-1-butanol Mole fraction of 2 in the liquid, x2 (upper curve) Mole fraction of 2 in the vapor, y2 (lower curve) Temperature Constant at 323.1 K Liquid Liquid curve Vapor curve Vapor Liquid P/kPa Vapor 100 20 80 60 P1* 40 00 1.0 0.6 0.4 0.8 0.2 xT x2 y2 P2* l' p' v v' p l 工廠在生產酒精時，酒精濃度達到95.6%後就無法再經由蒸餾進行分離， 此時達到共沸點（azeotropic point）。 請問共沸點是什麼？（10 分） 請問工廠要生產99.5%的酒精，有什麼方法可以獲得高濃度的酒精？ （10 分） 已知在一觸媒（catalyst）的作用上，1,3,5-三甲苯(C9H12)生產間二甲苯 (C8H10)時，部分的間二甲苯(C8H10)反應生成甲苯(C7H8)： C9H12 + H2 → C8H10 + CH4 (1) C8H10 + H2 → C7H8 + CH4 (2) 第一個反應會反應完全；第二個反應在工程上不被需求，因為間二甲苯 的售價為18 元/公斤，而甲苯的售價為6 元/公斤。甲烷(CH4)可在工廠中 被回收。每生產500 公斤甲苯(C7H8)，造成一公斤催化劑的降解，而反應 過的催化劑必須在有毒廢物的垃圾填埋場中處理，成本為750 元/公斤。若 間二甲苯(C8H10)對甲苯(C7H8)的選擇性為0.7，即每生產1 mol 甲苯會生 成0.7 mol 間二甲苯，則每100 公斤1,3,5-三甲苯(C9H12)反應中獲利或賠 本多少？假設氫氣(H2)的成本可以忽略。（20 分）

針對水資源回收再利用，請回答以下問題： 何謂電透析？請繪圖說明其流程原理與應用。（10 分） 何謂逆滲透？請說明其原理與應用。（10 分） 請說明高級氧化之原理與應用。（10 分）

一製造氯化乙烷（C2H5Cl）之程序，以乙烯與氯化氫為反應物，如下圖 所示。（原子量：Cl：35.5, H：1, C：12） 乙烯之進料流量為4000 kg/h，反應器唯一之出料為液化之氯化乙烷。在 穩定狀態下： 請寫出反應方程式。（4 分） 氯化氫進料之莫耳流量及重量流量。（8 分） 氯化乙烷之莫耳流量及重量流量。（8 分）

運油車在油槽無蒸氣控制下，輸油至油槽時其逸散量為2.80 kg/m3，若 油槽設有油氣逸散控制設施，則逸散量為0.09 kg/m3，油氣密度為0.8 g/mL，請回答以下問題：（每小題10 分，共20 分） 請說明油槽蒸氣逸散控制之方式。 若每週加油4.0 m3，每公升汽油30 元，則每年節省油費為多少？

一體積為2 m3 之連續攪拌反應槽（CSTR），進料為1200 kg/h 之反應物 A，其濃度為8 kg-mol/m3，溫度為20℃。反應式為 A B 反應器出口之A 濃度為3.6 kg-mol/m3 溫度為60℃。此反應為放熱反應， 反應熱為-17000 kcal/kg-mol A。反應物及產物之比熱均為0.75 kcal/kg ℃， 其比重均為800 kg/m3。（每小題10 分，共30 分） 在穩定狀態下，從此一反應器每小時需移除的熱量（kcal/h）為多少？ 反應器之夾套冷卻器（cooling jacket），有20℃冷卻水進入。此冷卻水 離開夾套冷卻器之溫度為45℃。請問冷卻水之流量（kg/h）為多少？ （水之比熱為1 kcal/kg ℃） 夾套冷卻器之熱傳面積為4 m2，冷卻水與反應器內物質之平均溫度差 （∆TLM）可視為25 ℃。求此一冷卻裝置之總和熱傳係數（kcal/m2-℃-h）。

化工廠常使用鍋爐產生蒸汽供製程使用，請回答以下問題： 以高壓蒸汽為例，請繪圖說明化工廠蒸汽產生與循環使用流程。（5 分） 請說明鍋爐用水需要那些前處理？（10 分） 若鍋爐加熱產生的是過飽和蒸汽，因此需要再加入飽和水（bfw）使過 飽和蒸汽膨脹，以產生高壓蒸汽。每產生1000 kg 高壓蒸汽，估算需 加入多少bfw 的水？請參考以下資訊。（10 分） 參考資訊 ⑴bfw 飽和水為0.7 barg，115℃，熱焓：483.0 kJ/kg，汽化熱：2216.0 kJ/kg；高壓蒸汽為41.0 barg，254℃，熱焓：2797.6 kJ/kg；過飽和蒸 汽為45.3 barg，400℃，熱焓：3204.3 kJ/kg ⑵假設蒸汽比熱1.92 kJ/kg K

一硫酸生產製程，以黃鐵礦（pyrite，主要成分為FeS2）為原料。反應式 如下：（每小題10 分，共20 分） FeS2 + 2.5 O2 FeO + 2 SO2 （反應1） 2 FeS2 + 5.5 O2 Fe2O3 +4 SO2 （反應2） 此二反應同時進行，均以空氣（N2 79 mol%，O2 21 mol%）燃燒黃鐵礦。 燃燒後之氣體（flue gases）之組成分析顯示， SO2：10.2 mol%，O2：7.8 mol%，N2 82.0 mol% 反應1 與反應2 進行的比例（以FeS2 在此兩反應中被消耗的量來比） 相對於黃鐵礦而言，空氣之過量比（excess）是多少？

福馬林為37%甲醛，可用以消毒，漂白及作為黏合劑，工業上常用甲醇 經催化後產生甲醛，其反應（條件為185 kPa，200℃）如下： CH3OH + 1/2 O2 → HCHO + H2O CH3OH → HCHO + H2 若甲醛單程轉化率為85%，福馬林產能若欲為10 T/h，估算甲醇進料 應為多少？製程回流甲醇為多少？（10 分） 請說明反應後物流如何分離？以流程圖說明。（10 分） 甲醛為不穩定物質，會產生那些不穩定作用？應如何處理？（5 分）

化學氣相沈積法常被用在電子工業中形成薄膜。常見的一個化學氣相沈 積的反應是以矽甲烷（SiH4）形成多晶矽薄膜，其反應之機制如下： SiH4(g)⟺SiH2(g)+ H2(g) SiH2(g)+ Site ⟺SiH2(ads) SiH2(ads)→Si(s)+ H2(g) 其中(g)表示氣相，ads 表示吸附相，s 表示固相。雙箭頭表示達到平衡。 根據實驗觀察，此一反應會受到氫氣的抑制。在SiH4 濃度高時，反應對 於SiH4 而言，為零級反應（zero order），而當SiH4 濃度低時，反應對於 SiH4 而言，為一級（first order）反應。 請將此反應機制，按照基本反應（elementary reaction）推導出反應速 率以符合實驗之觀察。（20 分） 請描述此一程序中需注意的工安與環保問題，及其處理方式。（10 分）