化學工程 91 年程序設計考古題

若希望以甲苯(toluene)及過量氫氣(hydrogen)為原料，依下述反應 4

CH Benzene H Toluene + → + 2 2 H Diphenyl Benzene + ↔ 在500 psia 及 F 1200° 的操作條件下製造出純度接近100% ，產量為1000 mol/hr 的產 品苯(benzene)，則副產品diphenyl 也會被製造出來。另外假設在氫氣原料中含5 mol% 之甲烷，由於甲烷只會在反應中生成，且氣體分離成本過高，因此甲烷必須與反應 剩餘氫氣一起排放。我們假設此一製程排放氣體中存在10 mol%之氫氣，而反應轉化 率(conversion, x )與選擇率(selectivity, S )關係如下 1.544 0.0036 1 (1 ) S x = − − 若此一製程轉化率之設計值為0.5，試計算出其原料(即甲苯和氫氣)用量、副產品(即 diphenyl)產量及氣體排放量。（25 分） 二、在許多化學製程的反應器中，常常會使用過量的反應物，例如在前面第一題中氫氣 與甲苯之莫耳比為5:1，試問此一作法之效益為何？（5 分） 另外，製造光氣的反應為 2 2 CO Cl COCl + → 試問兩個反應進料中何者應過量﹖為什麼﹖（5 分） 最後考慮以乙烷(ethane)製造乙烯(ethylene)的反應 2 6 2 4 2 2 6 2 4 2 C H C H H C H H CH + + 在實際製程中常會在反應器中加入水蒸氣(steam)，試問其目的為何？（5 分）

何謂熱幫浦(heat pump)？是否可用以減少蒸餾操作之能源消耗？若然，試以一流程 圖表示其應用方式。（5 分） 何謂雙效蒸餾(double-effect distillation)？與普通單一蒸餾塔相較，其優點為何？試 以流程圖解釋。（5 分） （請接背面） 九十一年專門職業及技術人員 考試試題 代號：01680 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面） 高等考試建築師、技師、不動產估價師、 呼吸治療師、心理師暨普通考試不動產經紀人

某一混合物由三個純物質組成，其莫耳百分比及常壓下沸點(NBP)如下表所示: Species Mole % NBP (K) A 80 433 B 15 453 C

473 若限制使用兩個普通蒸餾塔，將此一混合物分離成 A、B、C 三個產品，其分離順 序為何？試繪出其程序流程圖。（5 分） 是否可以一個取旁流(side stream)之蒸餾塔取代上述兩個普通蒸餾塔？為什麼？ （5 分） 是否可以一個由主要蒸餾塔再加上旁流蒸餾器(即side-stream rectifier 或 side-stream stripper)所組成的蒸餾系統來取代第一部份所述的兩個普通蒸餾塔？ 若然，試繪出其程序流程圖，並說明此一設計之優點。（5 分） 是否可以一個由預分餾器(prefractionator)再加上主蒸餾塔所組成的蒸餾系統來取 代第一部份所述的兩個普通蒸餾塔？若然，試繪出其程序流程圖，並說明此一設 計之優點。（5 分） 五、在某一製程中存在下表所列之程序流(process stream): Stream Type and Number CP (kW/K) TS (K) TT (K) Hot, 1 3 450 330 Hot, 2 1 420 300 Cold, 3 2 290 405 Cold, 4 4 350 410 其中TS 與TT 分別代表程序流之起始溫度及最終目標溫度，而CP 則為質量流率與 熱容量(heat capacity)之乘積。 若製程中各熱交換器中所容許的最小溫度差皆為20K，試求此一系統對熱公用設施 (heating utility)及冷公用設施(cooling utility)的最低需求量。（15 分） 另外，試設計可達到最大熱回收效率的熱交換器網路，並寫出網路中每一熱交換器 的： 熱傳速率(kW)。 冷流與熱流之編號。 冷流與熱流進出交換器之溫度(K)。 （15 分）