化學工程 111 年化學程序工業考古題

洩漏所引起的化學災害是化學工業安全的重要問題。 說明何謂重質氣體（Heavy Gases）。（6 分） 重質氣體與一般工廠煙囪排放的空氣污染物是否相同？為什麼？（7分）

塑膠的聚合反應大都在液相進行，說明液相聚合反應有那些方法？（8 分） 列出四種熱塑性塑膠。（6 分）

電動車用的鋰離子電池是一種可充電電池，此電池是一種可將材料化學 能與電能互相轉換的元件。（每小題10 分，共20 分） 請說明鋰離子電池的基本構造。 請說明其充放電的運作原理。

關於黏著劑的使用： 為何橡膠類的黏著劑易受老化？列舉兩種類的化合物添加可防止老化。 （8 分） 與橡膠類黏著劑相比較，壓克力系黏著劑具有那些優點？（6 分）

請說明奈米 2 TiO 光觸媒的原理。（12 分）

氨（NH3）可用來生產肥料，未來亦可作為氫的載體。 （每小題10 分，共20 分） 請說明哈伯法生產氨的反應，及反應溫度對此反應的影響。 生產一公斤的硝酸銨（NH4NO3），需要多少標準狀態下的氫氣與空氣 來生產需要的氨？（註：各元素原子量：N = 14.0；H = 1.0；O = 16.0）

冷卻塔（Cooling Tower）常被使用在化學工業中。 說明冷卻塔在化學工業的用途。（3 分） 冷卻塔依通風方式分為那幾類？（3 分） 冷卻塔依冷卻水與空氣接觸方式分為那幾類？（3 分） 冷卻塔依冷卻水與空氣流動方向分為那幾類？（3 分） 在冷卻塔中，濕球溫度與乾球溫度有何不同？當濕球溫度與乾球溫度相 差愈大代表何意義？（5 分）

考慮在一儲槽經泵的流量輸送過程，在正常操作下，藉由流量控制其輸送 的流量，如圖1。但當打入儲槽的液位量不夠時，可能會造成泵的空蝕 （Cavitation）。（每小題10 分，共20 分） 圖1：泵輸送儲槽過程 設計一個超馳控制（Override Control），並說明你設計的概念。 在上述的控制結構下，若控制器為PI 控制，應如何防止積分飽和 （Reset Windup）的發生？你可以以控制結構的方塊圖（Block Diagram），說明你設計的概念。

自由基鏈鎖聚合反應常用於聚合物（Polymer）的合成。 （每小題10 分，共20 分） 試說明自由基鏈鎖聚合反應的反應機構。 試說明起始劑（Initiator）用量對合成聚合物分子量之影響。

C20H40 成分的燃料油於過量50%的空氣（excess air）下進行燃燒，此燃燒 過程為絶熱，並且為完全燃燒。CO2、H2O、O2 及N2 的熱容量（heat capacity） 為12.4、9.7、8.3 及7.7（ Btu lb-mole℉） 計算燃燒1 g-mole 的燃料油，進料中的N2 有多少（g-mole）？（7 分） 若C20H40 於77℉的標準反應熱為3,206,700 cal/g-mole，而水的蒸發熱 為18,000 Btu/lb-mole，計算當燃燒熱的基準為水時，其燃燒熱值 （Btu/lb-mole）。（12 分） 若燃料油及空氣均在77℉下進入程序，計算此煙道氣的溫度為何？（10 分）

四氯化碳的生產過程是經由一反應 4 2 4 4 4 CH Cl CCl HCl    假設此反應為不可逆，並且進行完全反應。整個生產流程如圖2，試計算出： （每小題12 分，共24 分） 反應器 冷却器 壓縮機 分離器 圖2：四氯化碳的生產流程 支流6 的 4 CCl 莫耳流量（kg．mole/hr）。 支流8 的HCl 莫耳流量（kg．mole/hr）。 2 Cl 冷卻器 CH4500 kg．mole/hr 2,000 kg．mole/hr 7,500 kg．mole/hr HCl Recycle HCl Product CCl4 Product

泵浦（Pump）的用途是加壓管路中的液體，使液體有足夠的靜壓力，以 克服管路系統的流動阻抗。（每小題10 分，共20 分） 試說明泵浦揚程與管路阻抗隨管路流量之關係圖，並找出最佳操作點。 如何選用泵浦，才不致發生空蝕或汽蝕（Cavitation）？

有一組含四個分離單元的蒸餾塔用以分離五種成分，如圖1 所示。假設進 料的成分為20% CH4、25% C2H6、40% C3H8 以及剩餘的C4H10。所有已知 成分組成（mol%）已標記在圖中，假設回流至單元1 是由單元2 底部支 流的50%，並且第5 支流為1,000 mol/h。 計算第6 與7 支流的莫耳流率（mol/h）。（6 分） 計算第2 支流的組成中C2H6 百分比。（6 分） 計算第8 支流的組成中C2H6 百分比。（6 分） 計算第11 支流的莫耳流率（mol/h）。（6 分） 若進料改為1,000 mol/h，計算第5 支流的莫耳流率（mol/h）。（3 分） Feed 1 2 3 4 20% 25% 40% C C C C 1 N 1 2 3 3% C C C 2 N

蒸餾塔操作在大氣壓力及絶熱下，其進料為85℃的50% 3 CH OH 及50%wt%水， 如圖3 所示。在操作中塔頂及塔底分別提取出90wt% 3 CH OH 及5wt% 3 CH OH 的 飽和液體。全冷器被採用，且回流比為3。相關的熱力學性質為： （每小題15 分，共30 分） 水的熱容量（heat capacity）= 1Btu/lbm°F 飽和蒸氣熱焓（90wt% 3 CH OH ，71℃）= 581 Btu/lbm 飽和液體熱焓（90wt% 3 CH OH ，71℃）= 72 Btu/lbm 飽和液體熱焓（50wt% 3 CH OH ，85℃）= 540 Btu/lbm 飽和液體熱焓（5wt% 3 CH OH ，95℃）= 171 Btu/lbm 飽和蒸氣熱焓（300℉）= 910 Btu/lbm m 581Btu lb T H  m 72Btu lb R R h  m m 2000lb hr 540Btu lb 50% CH3OH 50% Water F F h   90% CH3OH 10% Water D m 171Btu lb 5% CH3OH 95% Water B B h  圖3：甲醇純化的蒸餾塔 如果冷凝器通過的冷卻水由60℉升高至140°F，那麼欲分離2,000 lbm/hr 的進料需要多少水（lbm/hr）？ 如果再沸器為部份再沸器，其用以產生飽和蒸氣，則需要多少的 300℉飽和水蒸氣（lbm/hr）？ F = 2000lbm/hr hF = 540Btu/lbm 50%CH3OH 50%Water 90%CH3OH 10%Water hB = 171Btu/lbm 5%CH3OH 95%Water

試說明由合成氣（Synthesis gas）直接合成二甲基醚（Dimethyl ether, DME）的主要反應步驟。（10 分） 試說明以丙烯氨氧化法（Propylene ammoxidation ）製備丙烯腈 （Acrylonitrile, AN）的反應式。（10 分）

N 5 N

N 1 2 3 1% 10% C C C 1 2 0.5% C C 4 N 2 3 4 C C C 3 N

N 2 3 4 0.2% C C C 3 4 30% C C 9 N 10 N 3 4 98% C C 4 C 11 N Unit II Unit I Unit III Unit IV Unit V 圖1：烴分離流程 N 1：第1 支流 N 2：第2 支流 依此類推