化學工程 95 年程序設計考古題

某化學工廠擬由原料A 與B 生產C 與D 兩種物質。其反應式為： A + B → C + D 反應在一連續式反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）下進行，其原料A 與B 均為純物質（pure component），然而其之轉化率（conversion）卻不會達到 100%；因此，在反應器之出口處含有A、B、C、D 四種物質。由於各物質之間均 無共沸（azeotrope）之現象，在經濟效益之考量下，乃採取蒸餾的方式來做純化的 工作。又其生產之各種物質（即分別為C 與D），均必須要求達到相當高的純度； 且未反應之A 與B 原料均必須再回收使用（recycle）。已知此四種物質之相對揮發 度（relative volatility, α ）的關係為： A α ＞ C α ＞ B α ＞ D α 試繪製一合理的程序流程圖（process flowsheet），並註明各裝置（equipment）之 名稱及各流線（flow stream）之成分，再以文字說明你的設計理念。（20 分）

在一般工業加熱爐之設計中，通常必須瞭解燃燒所造成的最高溫度，以為加熱爐設 計時之材質選擇或安全考量等。此最高溫度通常稱之為「絕熱火焰溫度」 （adiabatic flame temperature）；其乃是燃料在絕熱狀況下，完全燃燒所產生的溫度 。某工業加熱爐擬以天然氣為燃料，再配合20% 的過量空氣（excess air）來燃燒 。天然氣之成分為82 mole % 的甲烷（CH4）與18 mole % 乙烷（C2H6）；空氣之 成分為21 mole % 的氧（O2）與79 mole % 的氮（N2）。已知天然氣進入加熱爐前 之溫度為298 K；而空氣因先經過預熱器，其溫度則為423 K。天然氣燃燒之化學 反應式與其在298 K 下之燃燒熱（heat of combustion, 0 ˆ C H ∆ ）均分別如下： CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(v), 0 C Hˆ ∆ = -802 kJ / mole CH4 C2H6(g) + 3.5O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(v), 0 C Hˆ ∆ = -1428 kJ / mole C2H6 若考慮天然氣完全燃燒，其煙道氣（stack gas）各物質之熱容量（heat capacity, CP） 分別為下： CO2： CP = 0.0500 kJ/(mole‧K) H2O(v)： CP = 0.0385 kJ/(mole‧K) O2： CP = 0.0331 kJ/(mole‧K) N2： CP = 0.0313 kJ/(mole‧K) 請問: 煙道氣之各物質的組成（composition）應分別為何？請以 mole % 回答。（15 分） 此加熱爐之「絕熱火焰溫度」應為何？請以溫度 K 回答。（15 分） 95年專門職業及技術人員 高等考試建築師、技師考試暨 普通考試不動產經紀人、地政士考試試題 代號：01540 類 科： 化學工程技師 （請接第三頁） 全三頁 （第二頁）

某化學反應器其出口處之主要產物為異丁烷（iso-butane，簡稱i-C4）、正丁烷 （n-butane，簡稱n-C4）、異戊烷（iso-pentane，簡稱i-C5）、正辛烷（n-octane， 簡稱n-C8）四種物質。擬用一座如下圖所示之蒸餾塔來純化其產品，其塔頂為完全 冷凝器（total condenser），塔底為部分再沸器（partial reboiler）。塔之進料組成及 所要求之塔頂組成、塔底組成均如下圖所示。 Component kmol/h i-C4 3 n-C4 112 i-C5 9 n-C8 76 Total 200 Component kmol/h i-C4 3 n-C4 110 i-C5 4 Total 117 Total 83 FEED DISTILLATE BOTTOMS Component kmol/h n-C4 2 i-C5 5 n-C8 76 在設計蒸餾塔時，首先必須決定塔頂之壓力。若塔頂蒸餾液（distillate）之溫度 為30 oC，其汽液平衡常數（vapor-liquid equilibrium constants，俗稱 K-values） 之計算可由理想狀態獲得，即： total * i i i i p p x y K = = 上式之xi 為液相之摩爾分率（mole fraction），yi 為汽相之摩爾分率， * ip 為汽化 壓力（vapor pressure），ptotal 為總壓力。各物質之汽化壓力（ * ip ）可由Antoine 方程式獲得，即： C T B A log10 + − = * p 上式之 A、B、C 均為常數；溫度（T）之單位為 oC； * p 之單位為 mm Hg。又 塔頂各物質之Antoine 常數分別為： i-C4：A = 6.78866、B = 899.617、C = 241.942 n-C4：A = 6.82485、B = 943.453、C = 239.711 i-C5：A = 6.73457、B = 992.019、C = 229.564 請問塔頂之壓力應為多少atm？（15 分） （提示﹕1 atm =760 mm Hg） 95年專門職業及技術人員 高等考試建築師、技師考試暨 普通考試不動產經紀人、地政士考試試題 代號：01540 類 科： 化學工程技師 全三頁 （第三頁） 最近15 年來的程序設計，已普遍地採用了商業化之模擬軟體為設計輔助，諸如： Aspen plus, ChemCAD, Hysys, ProII 等套裝軟體。利用商業化之模擬軟體來設計蒸 餾塔，必先選擇其物理性質（physical properties）；而於模擬軟體中，常見的汽 液平衡計算方法有：Wilson, Peng-Robinson, UNIFAC, NRTL, Soave-Redlich- Kwong, UNIQUAC 等。請問在本案中，上述之計算方法，何者可以使用？並請說 明你選擇的理由。（10 分） 蒸餾塔之基本設計（basic design）通常必須決定塔壓、理論板數、進料板位置、 回流比、冷凝器移走之熱質、再沸器之熱質、塔高、塔徑等。在假設有商業化之 模擬軟體為設計輔助下，且前面與部分均已設計完成下，請問本案之基本設 計要如何進行？請以文字敘述你的設計步驟（design procedure）。（15 分） 當完成上述之工作後，則必須選擇適當的材料。在結構安全與經濟的考量下，請 問本案之蒸餾塔，你建議採用何種材料？請說明你採用的理由，並分析該材料的 優劣點。（10 分）