化學程序工業考古題｜歷屆國考試題彙整

氫氧化鈉（NaOH）常利用鹽水溶液（NaCl, H2O）經電解程序加以製 備，而生產過程會衍生氯氣（Cl2）及氫氣（H2）。若進料鹽水溶液之 濃度為40 wt%，產物組成為44 wt% NaOH、6 wt% NaCl 及50 wt% H2O。 （MCl2 = 71 g/mol；MNaCl = 58.5 g/mol；MNaOH = 40 g/mol；MH2O = 18 g/mol） 試求： 食鹽（NaCl）轉化為氫氧化鈉之百分比？（10 分） 製備100 kg 產物時，所生成之氯氣及氫氣重量（kg）？（10 分）

苯胺（C6H5NH2）可利用硝基苯（C6H5NO2）與氫氣反應而製備，惟同時 衍生水份。若生產過程中硝基苯進料（100 moles）之總轉化率（overall conversion）為90%，而流經反應器之單程（one-pass）轉化率為30%， 新鮮氫氣進料為過量20%（excess）。反應器出口物流（stream）經過分 離器後分別獲致最終產物及反應物回流物流，反應物回流物流之組成為 23%硝基苯及77%氫氣，此回流將與新鮮進料混合後流經反應器（題中 之%視為mole %）。試求： 硝基苯合成苯胺之化學反應式。（5 分） 最終產物之各成分莫耳數。（8 分） 反應物回流之莫耳數。（7 分）

煉油業輕裂製程主要生產乙烯、丙烯及丁二烯，然進料裂解過程中，乙 炔伴隨乙烯而生成，丙二烯亦隨丙烯而產生，四碳族之碳氫化合物則混 合於丁二烯中。於上述情形下，試分別說明乙烯、丙烯及丁二烯之商業 純化方法。（20 分）

重量分析法可用於檢測氯離子含量，請問： 某樣品含有氯化鉀（KCl，分子量為74.55 g/mol），取1.51 g 的樣品配 製於酸性溶液中，加入0.64 g 二氧化錳（MnO2，分子量為86.94 g/mol） 後進行下列反應： MnO2（s）+ 2 Cl － （aq）+ 4H+（aq）→ 2H2O（aq）+ Cl2（g）+ Mn2+（aq） 反應完全後，將過量的二氧化錳過濾、清洗及乾燥，秤得MnO2 的重 量為0.35 克。請計算樣品中KCl 的重量百分比。（12 分） 檢測水中氯離子含量時，加入AgNO3 溶液形成AgCl 沉澱，請說明有 那些具體方法可形成顆粒較大且易過濾的AgCl 晶體沉澱。（8 分）

以逆相層析法（reverse-phase liquid chromatography）分析可樂中的檸檬 酸（C6H8O7：pKa1 = 3.1、pKa2 = 4.8、pKa3 = 6.4）及咖啡因（C8H10N4O2） 含量。檸檬酸及咖啡因的結構如下： 檸檬酸 咖啡因 當移動相（mobile phase）含有20%甲醇及80%水，請說明檸檬酸及咖 啡因流出層析管柱的順序，並說明原因。（6 分） 咖啡因的滯留時間（retention time）為18.9 分鐘，未滯留物質流出管 柱時間為0.5 分鐘（tM）。未滯留物質及咖啡因訊號峰底部寬度（width of peak）分別為0.5 分鐘及1.0 分鐘。請計算咖啡因的滯留因子 （retention factor, k’）。（6 分） 若要滯留因子k’= 10，以乙醇和水為移動相，乙醇和水的比例應該如 何調整？（極性係數：水為10.2，甲醇為5.1，乙醇為4.3）。（8 分）

請回答下列有關化學工業程序流程圖和生產製程相關問題。 請問繪製管件及儀表圖（pipe & instrument diagram, P&ID）比程序流 程圖（process flow diagram, PFD）多加入了那些資料？（12 分） 請說明「清潔生產製程」與「傳統生產製程」在原料、能源、回收和 工業污染（廢水、廢氣和廢棄物）等方面之差異性。（10 分）

石油腦重組反應之蒸餾物中含有鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯和乙苯， 請問如何分離鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯和乙苯等四成分？（12 分）

煤炭為能源工業原料之一，請說明利用煤炭依序製備合成氣、甲醇、二甲 基醚、汽油之相關化學反應式及所使用之觸媒。（25 分）

質能均衡探討化學工業程序中進料與出料間的質量及能量變化關係，請 回答下列質能均衡相關問題。有一蒸餾塔用來提高酒精的濃度，未蒸餾 前之酒精中含乙醇10%，其流率為2.4 kg/s。蒸餾後塔頂之酒精中含乙醇 40%，其流率為0.4kg/s。試求塔底的酒精溶液離開時濃度為多少？（15 分）

酚及丙酮皆為重要之石化中間物，請說明以丙烯及苯作為進料，同時製備 酚及丙酮之相關化學反應式及所使用之觸媒。（25 分）

請說明如何以「電透析法」和「逆滲透法」去除廢水中溶解性無機物。 （12 分）

何謂永續航空燃油（Sustainable Aviation Fuel）？請分別列舉四項可作為 永續航空燃油之生產原料及其採用之方法。（25 分）

請回答下列有關儀器分析問題。 濾紙色層分析某化合物時，溶劑前沿的移動距離為5 公分，化合物色 點的移動距離為3 公分，其阻滯因數（Rf）值應為何？（5 分） 某物質經過20 cm 長的層析管柱，所得圖譜中的尖峰底部寬度為8 秒， 滯留時間為40 秒，則該層析管之理論板數（N）和理論板高（H）為 多少？（10 分）

請說明如何量測廢水中的化學需氧量（COD）和總有機碳量（TOC）。 （18 分）

一混合物進料（F）包含正丁烯（40 mol%）及丁烷（60 mol%）流經固定 床反應器，部分正丁烯轉化為異丁烯，而丁烷不參與反應。為了提昇正丁 烯轉化率，所以反應器出口端之部分物流（R）將回流至反應器進口端（與 原始進料F 匯合），且整體程序產物出口端（P）／回流物流（R）之莫爾 比值為9.0。（假設產物出口端之正丁烯濃度為X%、異丁烯濃度為Y%） 說明F 與P 之關係式。（5 分） 說明R 與P 之關係式，並列出整體程序之丁烷守恆關係式。（10 分） 以上述參數分別表示反應器進、出口端之異丁烯莫爾數。（10 分）

ABS 是一種常見的熱塑性塑膠，請問由那三種單體聚合成ABS？這三種 單體各自賦予ABS 什麼特性？（15 分）

請回答下列有關化學工業安全與污染防治問題。 請描述如何以氣提法去除廢水中的氨氮？（5 分） 請描述如何以離子交換法去除廢水中的NH4+和NO3–？（4 分） 請寫出添加硫酸鋁、氯化鐵和石灰去除廢水中磷酸鹽的化學反應式。 （6 分）

下圖為2-methyl-1-pentene 之1H NMR 之圖譜，2.97、2.08、2.96、2.06 和 2.00 為五個NMR 峰的積分值，請回答下列有關分析化學之問題。 請畫出2-methyl-1-pentene 之化學結構，並指出下圖a、b、c、d、e 這 五個NMR 峰各為2-methyl-1-pentene 化學結構中那個氫之吸收峰？ （10 分） 下圖a、b、c、d、e 這五個NMR 峰當中，何者受屏蔽效應（shielding effect）之影響最大？（3 分） 下圖a、b、c、d、e 這五個NMR 峰當中，何者位於最高場（upfield） 之位置？（3 分）

一蒸餾裝置採連續式操作，進料為含45%甲醇和55%乙醇的混合液，速 率為每小時500 公斤。蒸餾後從塔頂獲得餾出物含70%甲醇和30%乙 醇，而從塔底獲得的餾餘物含15%甲醇和85%乙醇。試求塔頂餾出物和 塔底餾餘物的流率每小時各為多少公斤？（16 分）

含30%重量百分率酒精的酒精水溶液進入分餾塔進行精餾，欲得到95% 重量百分率酒精之酒精水溶液的塔頂產物，而殘餘液中酒精的重量百分 率不得超過5%，試回答下列問題： 每公斤的進料可獲得多少公斤的塔頂產物？（7 分） 若迴流比為3，進料的比焓為40 Kcal/Kg，迴流的比焓為−20 Kcal/Kg， 塔頂蒸氣的比焓為160 Kcal/Kg，塔底產物的比焓為10 Kcal/Kg，每公 斤的進料須由冷凝器移出多少Kcal 熱量？（10 分） 每公斤進料再沸器需提供多少Kcal 熱量？（10 分）

請回答下列有關石油化學工業之問題。 汽油辛烷值（octane number）之定義為何？（5 分） 油品的辛烷值與其分子結構有關，正戊烷和正辛烷當中，何者的辛烷 值較高？（3 分） 1-戊烯和正戊烷當中，何者的辛烷值較高？（3 分） 如何提升汽油之辛烷值？（6 分） 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

就工業壓力容器的安全規範，回答下列問題：（每小題6 分，共18 分） 可燃性氣體儲槽應以什麼方式標示？ 液化氣體的儲槽四周應設置什麼？ 請列舉3 種我國法規中，所稱的「特定高壓氣體」。

乙酸甲酯（CH3COOCH3）水解屬於化學平衡反應，傳統製程設計無法提 昇其反應轉化率，近年來則採行催化蒸餾技術，可大幅促進水解反應之 進行。 請列出乙酸甲酯水解之化學反應式。（6 分） 請分別說明催化蒸餾技術及其適用特殊條件。（14 分）

何謂ESG 與其包括方向？（9 分） 列舉2 項説明關於ESG 對化工生態系統發展的面向。（12 分）

實驗室進行碳氫化合物裂解反應之測試，利用庚烷（C7H16）、辛烷（C8H18） 及氫氣作為進料，完成氣相（gas phase）裂解反應，其中庚烷/辛烷之進 料莫爾（mole）比為2/3。反應器出口端全部氣體之莫爾百分率分別為： 丙烷（C3H8）18%、丁烷（C4H10）58%、戊烷（C5H12）24%。請計算辛 烷/氫氣之進料莫爾比。（20 分）

石油煉製程序中，欲分離芳香烴（苯、甲苯、二甲苯）及非芳香烴（環 己烷、甲基環戊烷、甲基環己烷）時，鑒於上述碳氫化合物之沸點相近， 工業上經常先使用液/液兩相萃取單元，再繼續進行蒸餾單元。 請說明液/液兩相萃取單元之萃取相（Extract）及萃餘相（Raffinate） 主要組成。（8 分） 請列舉液/液兩相萃取單元常用之四種溶劑。（12 分）

某一操作程序單元可將煤（Coal）與濕空氣作用產生高H2濃度的氣體，如下圖。 氣化 反應器 Stream 1: Coal C, H, S, O, Ash Stream 2 Stream 4 Stream 3 H2O Air(O2 and N2) Ash C H2O Dry Gas (mol%) H2 (29.8%) CH4 (6.0%) CO (11.1%) CO2 (7.4%) H2S (4.5%) N2 (41.2%) H2O 此程序分析得知如下的進出料訊息：（每小題15 分，共30 分） Stream 1：煤的進料為1000 kg/h，煤的（wt%）組成為：C(51.60%)、 H(13.40%)、S(19.20%)、O(8.96%)、Ash（灰）(6.84%)。 Stream 4：氣化後的氣體（含水份），但以乾燥分析得到（mol%）：H2(29.8%)、 CH4(6.0%)、CO(11.1%)、CO2(7.4%)、H2S(4.5%)、N2(41.2%)。 Stream 2：濕空氣中H2O 占5.4 mol%，而乾空氣中，O2 與N2 的（mol%） 比率21：79。 Stream 3：反應器底部包含Ash、C 及H2O。 計算煤中C 的轉化率（Conversion）。 此操作中空氣是否過量（Excess）？並說明理由。

軌道阱（Orbitrap）質譜儀屬於較為先進的質譜技術，請說明其工作原 理。（10 分） 與傳統質譜儀相比，軌道阱質譜儀主要的改善為何？有什麼優勢？ （10 分） 軌道阱質譜儀所應用的傅立葉轉換技術對於光譜結果有何改善？（10分）

環氧乙烯的生產過程中，是由部分氧化乙烯得到，其發生的反應式為： 2 C2H4 + O2 → 2C2H4O C2H4 + 3O2 → 2CO₂ + 2H2O 反應器的進料為20% C2H4，其餘為空氣。在反應操作於240℃時，乙烯的 轉化率為25%，但僅其中60%產生環氧乙烯。 已知各成份的比熱值Cp（J/mol-K）為： C2H4 C2H4O O2 N2 CO₂ H2O 33.8 18.0 29.9 14.7 19.0 34.1 各成份的標準生成熱（Standard Heat of Formation）（kcal/mol）為： C2H4 C2H4O CO₂ H2O 12.50 -12.58 -94.05 -57.80 當反應器的進料為1000 kg mol/h： 計算乙烯在上述2 個反應式的反應量。（13 分） 若此反應過程需移除57,000 kJ/h，計算反應器的進料溫度。（18 分）

雙鹼基化合物B 的pKb1 = 4.00 和pKb2 = 6.00。請估計在pH 7.00 時以 BH22+形式存在的離子莫爾分率？（10 分）

紫外光可見光吸收光譜中的價電子躍遷，其中的價電子主要包括那三種 價電子？依分子軌域理論，其價電子躍遷有那四種類型？（10 分）

試預測CH2ClCH2OCH3 有幾個氫核磁共振光譜信號，若按n+1 規則，每 一吸收峰的多重峰數目及相對面積各多少？（10 分）

一蒸餾塔每小時可分離10000 lb 50%苯及50%甲苯的混合物。若由塔頂 冷凝器所回收的產物含有95%苯，而由塔底回收的含有96%的甲苯。 蒸汽由塔頂進入冷凝器的速率為每小時8000 lb。部分產物回到塔內作回 流之用，其餘的由他處抽取使用。若塔頂回流的組成（V）與所抽取的產 物（D）和回流（R）之組成皆相等，試求出回流量與產物的抽取量之比 為何？（20 分）

以衛星太空艙內之空氣為系統，若其在20℃裝有4.00 kg 之空氣（空氣 內能為8.00×105 J/kg）。由太陽輻射之能量將以熱之型式進入空氣系統內 而直至其內能為10.04×105 J/kg 為止。試求出有多少熱傳入空氣系統中？ （10 分）

某一公司生產硫酸，年產量75,000 公噸，每一公噸之生產成本為新臺幣 （以下同）2,500 元，加上其他固定投資折舊及固定操作成本，總操作成本為 200,000,000 + 2,500 × T 其中T 為年產硫酸公噸數。 假設年產量維持75,000 公噸，請問每公噸最低售價（成本價）為何？ （10 分） 假設年產量增產為92,000 公噸，但增產之每公噸硫酸需多負擔3,500 元 之運輸及銷售費用。請問每公噸最低售價（成本價）為何？（5 分） 假設目前國際上硫酸每公噸可以賣13,500 元，請問以75,000（公噸/年） 之年產量下，每年之利潤為多少元？（5 分） 工廠若更新製程，可將每公噸硫酸之生產成本降低至2,000 元/公噸，但 需增加新投資1,500 萬元。若年產量在維持75,000 公噸/年，請問此項 新投資之年投資報酬率為何？（5 分）

112年公務、關務人員升官等考試、112年 交通事業鐵路、港務人員升資考試試題 等 級：薦任 類科（別）：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。 本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。 何謂工業減廢？（10 分）請列舉三種工業減廢之方式。（15 分） 為何目前世界各國積極發展再生能源，以取代石化燃料？（8 分） 氫氣是一種可以取代傳統化石燃料的潔淨燃料，可以利用再生能源電 力進行鹼性電解產出氫氣，請寫出其化學反應方程式。（8 分） 除了水電解法外，請寫出另外三種氫氣的製造方式。（9 分） 何謂過氧化物？（6 分）其特性與用途為何？（6 分）有何危險性或毒 性？（6 分） 過氧化氫、硼砂及氫氧化鈉可反應生成過硼酸鈉，請寫出其反應式。 （7 分） 於一均勻恆溫之液體聚合反應槽中，當單體之濃度為0.1 mol/L 及0.5 mol/L 時，於反應30 分鐘後均有20%單體消失。 請推算反應槽中之化學反應級數。（5 分） 請計算反應速率常數。（10 分） 反應需時多久可達轉化率99%？（10 分）

試說明電透析（Electro-dialysis, ED）之基本原理與用途。（25分）

生物產業可使用生質生產化學品，是近年綠色化工技術之一環。 好氧發酵需要通氣體進發酵槽，進氣量通常超過10,000 公升/分鐘。如 此大量的氣體需要除去裡面所有的微生物，以免污染發酵槽。請提出可 行的方法並解釋其原理。（10 分） 發酵需要之培養液亦必須滅菌。請描述大量培養液之滅菌程序。（10 分）

有A與B液體混合物，其中A的重量占40%，B的重量占60%，可利用蒸餾 程序將A與B分離，混合物由蒸餾塔中間進料每小時1000 kg，進料中有 10% A由塔底產物餾出，蒸餾塔頂餾出物含99% A： 試計算蒸餾塔頂A與B的流率為每小時多少kg？（15分） 試計算蒸餾塔底A與B的流率為每小時多少kg？（10分）

油脂是民生相關的化學品，請回答下列問題： 一些食用油會進行氫化反應，其目的為何？寫出其相關化學式。（10 分） 交酯化反應可製造生化柴油。請寫出化學式並列出可能之催化劑。（10 分） 寫出從油脂製造肥皂之皂化反應。（5 分）

以銅-鋅為觸媒，在250℃及50 atm條件下，以合成氣連續製造甲醇： 試寫出其反應式。（4分） 若以純氫氣與純CO為進料，CO與氫氣的進料莫耳比為1：3，試計算要 生產100 kg/hr的甲醇，至少需要多少氫氣與CO的進料莫耳流率？（原 子量：O = 16，H = 1，C = 12）（21分）

一氣相反應 A B 在一柱狀流反應器進行，如圖所示。單次通過之反應率為50%。A 與B 在 反應器後面之分離裝置，徹底分離。未反應的A 迴流（recycle）至進料口重 新與新鮮進料混合，送入反應器。新鮮進料含有99.5 mol%A 與0.5 mol% E。 E 為不參加反應之惰性（inert）物質。迴流會使E 逐漸累積，而須進行排除 （purge）。假設進料口處能容忍的最高E 含量為10 moles E/100 moles A。 假設新鮮A 之進料流量為50 kmol/h，請回答下列問題： 排除（purge）之流量為何？其中之組成為何？（15 分） B 之產率（B 之生成莫耳數/A 進料之莫耳數）為何？（15 分）

一絕熱穩定操作的蒸氣渦輪（turbine）可用來當作小型發電機。渦輪 的進料蒸氣條件為Min = 3 kg/s；Tin = 600℃；Pin = 10 bar；進口熱焓 （enthalpy ）= 3698 kJ/kg ，渦輪的出口蒸氣條件為Tout = 400℃； Pout = 1.0 bar；出口熱焓（enthalpy）= 3278 kJ/kg。假設動能與位能的變化 可忽略： 試寫出質量與能量平衡式。（10分） 試計算此蒸氣渦輪可產生多少功？（15分）

芳香烴及非芳香烴之分離程序，工業上經常使用萃取蒸餾技術，請回答 下列問題： 何謂「萃取蒸餾」？（11 分） 請列舉芳香烴萃取蒸餾分離常使用之三種溶劑。（9 分）

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

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）

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）

(1)　(2) 20 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）

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

據估計，全球將近九成 是氨的主要生產方法之 造方式。（20 分）

400 bar、500℃的理想氣體，透過焦耳-湯姆森（Joule-Thomson）膨脹至 1 bar，試問膨脹後的溫度為何？（理想氣體比熱為常數）（20 分）

一鋼鐵工廠產生標準狀態下100 m3/s 含20% CO2 之廢氣（標準狀態下一 莫耳氣體之體積為0.0224 m3）。若須移去此廢氣中90%之CO2： 此一廢氣若以1N NaOH 溶液吸收，請寫出化學反應式。（5 分） 計算前項所用之1N NaOH 之消耗量，請以公斤/每年為單位作答。（10 分） 此一廢氣若以氧化鈣溶液吸收，其中之CO2 完全反應成碳酸鈣 （CaCO3），計算碳酸鈣之產量，請以公斤/每年為單位作答。（註：鈣 之分子量為40。）（5 分） 請敘述化工製程減少排放二氧化碳的意義，並試舉例說明三種減排做 法。（5 分）

某公司擬至一熱帶地區 之後，再加入甲醇（m 作成生質柴油。試寫出 三酸甘油酯（triglycer

純丙烷氣體1 莫耳，與20 莫耳空氣混合燃燒，60%丙烷燃燒成CO2 與 水，20%丙烷燃燒成CO 與水，其它丙烷未燃燒，試問出口組成為何？ （20 分）

一蒸汽鍋爐以丙烷及10%過量空氣燃燒來加熱，進料氣體皆處於25℃。 丙烷 + 氧 Æ 二氧化碳 + 水， ∆ܪ298 ° = -534 kcal/g-mol 丙烷 假設丙烷完全反應： 求出口氣體組成。（5 分） 求理論上最高可達到之絕熱火焰溫度。（10 分） 若蒸汽加熱之熱量需求為1×106 kcal/s，求丙烷之用量，以（kg/s）為單 位作答。假設鍋爐內氣體之丙烷完全消耗，氣體溫度為500 K。（10 分） 相關氣體之莫耳熱容量（CP）估算方法如下： CP = A + B T, 此式中T 以（K）為單位，CP 的單位是cal/(g-mol)(K) 化學成分名稱 A B O2 7.16 1.00×10-3 N2 6.83 0.90×10-3 H2O 7.30 2.46×10-3 CO2 10.57 2.10×10-3

某公司擬利用冷凍法自 進料量等基本資料如圖 其外層仍會沾黏少許濃 b 為0.01（亦即沾黏濃 一），當濃鹽水中鹽之重 分鐘所得之淡水量（包 比率為何？（20 分） 種考試地方政府公務人員考試 包括質能均衡） 座 試題題號及答案依照順序寫在試卷上，於本試題 英文作答。 成的氨是用來生產氮肥，目前H 之一，試寫出其反應式，並敘述反 區投資種植棕櫚（palm），壓榨出 methanol）進行轉酯化反應（tran 出此一轉酯化反應式。註：假設 ride），其分子式如圖所示。（20 自海水中製造淡水，其簡易流程 圖所示。假設所分離出來的碎冰 濃鹽水，此沾黏濃鹽水之重量分 濃鹽水與冰合計，沾黏濃鹽水的重 之重量分率（weight fraction）c 為 包括其中的少許鹽份）為何？此 考試試題 座號： 題上作答者，不予計分。 Haber–Bosch 法仍然 述反應物之來源與製 出棕櫚油（palm oil） nsesterification），製 設棕櫚油主要成份為 分） 程、海水進料成分與 冰本身並無鹽份，但 率（weight fraction） 的重量分率為百分之 為0.05 時，請問每 此淡水中鹽份的重量

試述以聚丙烯腈（polyacrylonitrile, PAN）為原料製碳纖維的程序。（20 分）

一個從合成氣製備甲醇的程序，其反應式如下： CO + 2H2 Æ CH3OH 反應器之轉化率（conversion）為15%。未反應之反應物在與產物甲醇 分離後，回流反應器，如上圖所示。進料中一氧化碳與氫氣之莫耳比為 1：2。若甲醇之產量為5000 公升/小時，甲醇之比重為0.78。 計算進料及回流的莫耳流速，答案請以（kg-mol/h）為單位。（18 分） 若進料中，氫氣過量，例如一氧化碳與氫氣之莫耳比為1：2.2，上圖 中的回流還可以維持程序之穩定操作嗎？為什麼？（2 分） 進料中一氧化碳與氫氣之莫耳比為1：2，但含有0.1 % mol 之CO2， 若欲維持反應器內CO2 濃度在1% mol，請問排放（purge）/回流 （recycle）之莫耳流量比為何？（5 分）

某果汁工廠擬將含水量 20 wt%的濃縮果汁，為 含水量僅為5 wt%，再 及原料進料量如圖所示

試問在潮濕環境中鐡材腐蝕之陽極及陰極反應式為何？並以示意圖表 示。另外，為何一般海邊橋樑的鐡材腐蝕較嚴重而需要較頻繁的檢查與 維護？（20 分）

工業安全及污染防治是化工程序重要的考量點。請就以下相關事項作 答：（每小題5 分，共25 分） 解釋化學物質之閃點（flash point ）與自燃溫度（autoignition temperature）。 解釋爆燃（deflagration）與爆炸（detonation）。 解釋並說明燃燒塔之作用及其裝置。 氮氧化物是空氣污染的重要源頭，請說明化工程序中，如何減少氮氧 化物之生成，及如何減少其排放。 可燃液體洩漏會造成危害。請比較說明：⑴儲存於正常沸點之上的可 燃液體，⑵儲存於正常沸點之下的液體，造成危害的情形。

如圖所示，某一製程使 （C6H6）由40℃加熱 交換後之熱水為60℃ 烷的流量。（20 分） F1 = 量80 wt%的新鮮果汁透過蒸發方 為了盡量保存果汁風味，擬將部 再參配部分新鮮原汁，調配成為最 示。試計算此一製程中每一股流 使用一常壓（1 atm）水蒸氣將 至90℃，水蒸氣溫度為130℃， 。H2O 與環己烷之物性資料如表所 方式濃縮成為含水量 部分新鮮原汁濃縮至 為最終產品，其製程 流之流量。（20 分） 不明流量之環己烷 ，流量為1 kg/s，熱 表所示。請求出環己

一套管熱交換器的內管通入25℃的水，流率0.5 kg/s，加熱成85℃。環 部通入100℃的飽和水蒸汽，若水蒸汽被凝結成等溫的凝結水而排出， 則水蒸汽的消耗量為多少kg/s？已知水的比熱為4.2 kJ/（kg．℃），100℃ 水蒸汽的凝結熱為2257 kJ/kg。（20 分）

有關酸雨，請回答下列問題： 酸雨是如何形成的？（5 分） 酸雨對環境有那些影響？（9 分） 如何減少或防止酸雨的問題？（6 分）

請回答下列問題： 請寫出拉午耳定律（Raoult’s Law）及亨利定律（Henry’s Law），並說明其應用。 （10 分） 請寫出吉勃士相律（Gibbs phase rule），並依吉勃士相律計算包含液、氣兩相純水 平衡系統之自由度（degree of freedom）。（10 分）

請說明三種去除工業排放廢氣中揮發性有機物（VOCs）之處理技術及原理。（20 分）

有關塑膠，請回答下列問題： 分別敘述熱塑性塑膠與熱固性塑膠之性質及其差異。（10 分） 寫出三種工業上常用之熱固性塑膠，並寫出原料及未交聯前聚合物重複單位之分 子結構。（30 分）

含3%丙酮，2%水及95%空氣之混合氣進入吸收塔中，利用水吸收其中所含丙酮， 經吸收後丙酮水溶液再經蒸餾得含99%丙酮之塔頂產品，含5%丙酮之塔底產品，如 下列流程圖所示，試求其中各股流（即A，W，C，P，B）之流率為若干kg/hr？圖 上各股流之組成均以質量百分率表示。（20 分）