程序設計考古題｜歷屆國考試題彙整

寫出以下Aspen Plus® 內建模塊名稱。（每小題5 分，共15 分）   

下圖是描述某程序設計流程圖，已知Carbonator 內主反應為CO2 + CaO → CaCO3 與Calciner 內主反應為CaCO3→CO2 + CaO。（每小題5 分， 共30 分） 該程序入料為何？ Carbonator 內是吸熱還是放熱反應？ Calciner 需要外部供熱能，問此處供熱方式？ Carbonator 與Calciner，何者操作溫度高？ 該圖中cyclone 裝置中文名稱。 該程序目的為何？

關於CO₂ methanation 程序生產合成天然氣（synthetic natural gas）。（30 分） ⑴請寫出CO₂ methanation 中文名稱。 ⑵若選擇固定床反應器內進行CO₂ methanation，繪出該程序簡易設計流 程圖。 ⑶寫出該反應器內總反應式。 ⑷若要達成該程序淨零排放（net zero emissions），則氫氣選擇方式與供 熱來源需要滿足那些條件。

下圖描述某製程投資案的累積現金流，已知年利率為i 且F 點對應是第t 年。 （25 分） ⑴指出圖中C 點代表意思。 ⑵指出圖中有淨獲利部分。 ⑶指出圖中D 點代表意思。 ⑷若定義第n 年現金流為CFn，寫出淨現值（NPV）表示式。

在電價高漲的階段，某一化工廠正提出各種節能方案（包括加裝熱交換 器、泵浦以及配管，以建立換熱網路），表1 為研發部所提出的三種不同 方案。公司的決策除了執行需低風險且對公司形象有益之外，必須採用 的技術是可行的。維修費和固定開支費用每年為15%，且在不考慮稅捐 下ROI（Return on Investment）不可低於10%。 表1 研發部提出的三種方案 總投資費用（元） 每年可節能的金額（元）年操作費用（元） 方案1 2,550,000 720,000 15,000 方案2 3,100,000 860,000 25,000 方案3 3,350,000 950,000 30,000 試計算各方案ROI。（11 分） 方案1 與方案2 中，何者較優？是否要採用較優方案？為什麼？（7 分） 方案1 與方案3 中，何者較優？是否要採用較優方案？為什麼？（7 分）

圖1 表示一過程將一流體從一儲槽輸送至另一個槽，假設 0 0 psig P  ， 2 200 psig P  ，而設計的操作流量為 200 pm F g  ，並且經過一個熱交換 器的壓降 10 psi LP   ，而設計控制閥的壓降 5 psi VP   ，其中，控制閥為 線性控制閥，流體比重為1。 oP 2P 1P LP  VP  圖1 流體輸送過程 若操作流體為不可壓縮，寫出此控制閥流量與閥的大小、壓力降、閥 開展及流體性質的設計方程式。（5 分） 若正常設計操作下，控制閥是半開的閥開度，求閥的大小。（6 分） 求閥泵頭（Pump Head）。（5 分） 求此控制閥的最大流量。（9 分）

某一化學製造公司計劃要終止一條不太獲利的生產線，但這將導致3 個 已存在的批次反應設備（反應器A、B 及C）生產能力的閒置。化學工 程師考慮利用這閒置的設備生產3 種新的產品（產品1、2 及3），現存 的3 個反應器可利用的生產能力如表2。 表2 反應器可利用的生產能力 單元 A B C 可利用的操作時間（h/週） 20 10 5 每種新產品的生產所需的處理時間，如表3。 表3 產品的生產所需的處理時間 單元 A B C 產品1（h/批） 0.8 0.4 0.2 產品2（h/批） 0.2 0.3 產品3（h/批） 0.3 0.1 依據目前市場的訊息得知，產品1 與2 的市場需求超過了目前最大生產 能力，而產品3 的市場需求是每週20 批。產品1、2 及3 的每批利潤是 20 萬元、6 萬元及8 萬元。（每小題5 分，共25 分） 定義出應被設計的變數。 寫出此計劃3 種產品生產的最大利潤目標函數。 寫出產品市場需求必需滿足的限制條件。 寫出3 種產品生產必需滿足的限制條件。 列出其他應滿足的限制條件，並說明原因。 [註]此問題僅需列出上述數學描述，不必求解。

在一操作程序，含有2 股冷物流及2 股熱物流，如表4 所示。若冷熱物 流間最小允許傳熱，溫差 o min 20 C T   ，利用Problem Table Algorithm， 求解下列問題。 表4 熱物流與冷物流的數據 物流 熱容流率(kW/℃) supply temperature(℃) target temperature(℃) 熱負荷 (KW) Hot(H1) 2.0 150 60 180.0 Hot(H2) 8.0 90 60 240.0 Cold(C1) 2.5 20 125 262.5 Cold(C2) 3.0 25 100 225.0 此程序的夾點位置為何？（9 分） 計算冷公共設施最小使用量。（8 分） 計算熱公共設施最小使用量。（8 分）

某製程模擬軟體完成模擬後，產生附件之報表結果，請參考該表回答以 下問題。 嘗試畫出製程流程圖，應標示各單位（unit）與物流（stream）、物流方 向、以及根據數據判斷unit 功能使用合適的unit 圖示。（15 分） 說明各單元可能的功能與操作參數。（15 分） 請由整體製程的所有進料（inlet）和所有出料（outlet）物流，計算確 認整體是否達到質量平衡（mass balance）。（10 分） 請由附件之報表資訊寫出可能的反應方程式，並計算轉化率。（20 分） 附件 製程模擬結果表

設計一個放熱反應的連續攪拌槽反應器（CSTR）中，相關描述如下： ⑴為移除反應熱，CSTR 內裝有冷卻蛇管與熱電耦，量測到的溫度訊號 送到一溫度指示控制器（TIC），此TIC 依量測到的溫度與設定值（set point）之差異，採用PID 控制邏輯，控制冷卻水之進口流量； ⑵CSTR 內裝有差壓計，液位差壓訊號送到一液位指示控制器（LIC）， 此LIC 依量測到的液位與設定值之差異，採用PID 控制邏輯，控制 CSTR 之出口流量。 在穩定（steady）操作的情況下，可得到所要的轉化率（conversion）。如 果操作不當，會發生失控反應（runaway reaction），使CSTR 內反應液溫 度上升。溫度上升會提高反應速率常數（rate coefficient），使反應速率變 得更快，又放出更多的反應熱，此失控的連鎖反應會使CSTR 之溫度過 高，CSTR 內之液體會汽化，導致壓力變大而有反應器爆炸的危險。應 對策略為： 甲、CSTR 內可裝設另一熱電耦，當此溫度超過最大設定值時，流量指 示控制器（FIC）送出訊號，驅動電磁閥，將進入CSTR 內之原料A 緊急關閉，一旦原料A 不再進入CSTR 內，當A 被消耗殆盡後，反 應自然停止，就不會有壓力過高而爆炸的危險； 乙、另一個安全上的設計是在CSTR 上加裝一個洩壓閥，當CSTR 內壓 力超過最大設定值時，洩壓閥會開啟將反應器洩壓，也可以避免發 生爆炸的危險。 問題： 畫出題目所描述之反應系統流程圖，應標示題目所述或必需之元件、 管線及名稱。（20 分） 畫出頂頭事件（Top event）為反應器爆炸的失誤樹，內含 （AND） 與 （OR）。（20 分）

請說明Aspen Plus：（每小題5 分，共15 分） Aspen Plus 是什麼？有何用途？ 舉出任五種Aspen Plus 內建模型。 舉出任五類型產業會使用Aspen Plus。

圖一是簡單描述某塑膠單體生產方式：（每小題8 分，共24 分） 請寫出原料與產品中文名稱。 此生產方式會使用到那些化工單元？請寫出任四種化工單元名稱。 依圖一概念，繪出該生產方式的基本程序流程圖（process flow diagram）。 圖一

圖二參考上題圖一構想繪製完整程序流程圖： 請寫出圖二中(a)與(b)物流的中文名稱。（4 分） 圖二中那些屬於化學反應裝置與再沸器裝置？請寫出該裝置編號。（8分） 編號3 與16 物流中主要化學成分為何？請寫出該化學式。（4 分） 說明裝置編號P-102 或P-103 的功能。（4 分）

某一直徑1.5 米填充式蒸餾塔，內置70 個塔盤（tray）與不鏽鋼材質的 規則填料（structured packing）如圖三所示，已知塔盤總高30 米。假設 2010 年份設備CE 指標值為453.8，請估算該蒸餾塔的設備成本（capital cost）。提供2000 年份設備CE 指標值為441.9，填充式蒸餾塔之相關數 值包括塔盤總高5 米，直徑0.5 米，設備成本1.8104 美元，及成本指數 1.7 等。（25 分） 圖二 圖三填充式蒸餾塔內不鏽鋼材質的規則填料 (a) (b) P-103 P-102

圖四描述某製程投資案的累積現金流（cumulative cash flow）。（每小題8 分， 共16 分） 請寫說明圖中D 與F 點代表何意？ 圖中三條曲線何者折現率（discount rate）最大？請寫出該曲線編號， 並描述其折現率對製程操作至結束時的整體投資案獲利情形。 圖四

恆溫反應 2 A + B C 在一個容積不變的批次反應器中進行。其反應速率式為 r = k CA CB 其中，k = 9.92 x 10-3 m3/kmol-s。反應之初始狀況為CA0 = 0.12 kmol/m3， CB0 = 0.08 kmol/m3. 請回答下列問題： 此反應會先用盡的化合物（limiting reagent）為A 或B？（5 分） 此limiting reagent 達到95%反應率所需之時間。（10 分） 若C 可以與A 繼續反應生成其他副產物，C + A D，D + A E。 如希望提高C 的選擇率（selectivity），應採何種方式改善？（請以定 性方式說明）（5 分）

工廠有一熱流（hot stream 1：Hs1）需從350℃降溫至150℃。有兩冷流 （Cs1 及Cs2）各需從50℃加溫至100℃及從140℃加溫至190℃。其熱含 流量（heat capacity flow rate = 重量流量x 熱含= KJ/s）分別為100(Hs1) 及200(Cs1 及Cs2)。 請分別說明下列圖一所示之兩種換熱順序，所需之總熱傳面積。假設 總合熱傳係數皆為150（KJ/m2-s℃）。（20 分） 從以上之結果，換熱器效率（以換熱面積而論），冷熱流接觸之順序有 何可遵循之規律？（5 分） 350℃ 150℃ Hs1 Cs1 Cs2 100℃ 50℃190℃ 140℃ 350℃ 150℃ Hs1 Cs2 Cs1 190℃ 140℃100℃ 50℃ 圖一

一個單效蒸發器用來濃縮進料量為7 kg/s 之水溶液，將其從10 %固含量 濃縮至50 %固含量。使用205 kPa 之蒸汽，蒸發器內之壓力13.5 kPa。 假設蒸汽以飽和液體凝結，進料液體之溫度為294 K，總熱傳係數為 9 kW/m2-K，液體之比熱為3.56 kJ/kg-K。請參考所附之蒸汽表，計算： 產品（即50%固含量溶液）與移除水分的量，蒸汽所需提供的熱能。（10 分） 所需之熱傳面積及蒸汽之用量。（10 分） 蒸汽之效度（economy）為何？（5 分） 蒸汽表 Absolute pressure (kPa, kN/m2) Temperature (℃) Specific Enthalpy of Liquid - hl - (kJ/kg) Vaporization - he - (kJ/kg) Steam - hs - (kJ/kg) 0.8 3.8 15.8 2493 2509 2.0 17.5 73.5 2460 2534 5.0 32.9 137.8 2424 2562 10.0 45.8 191.8 2393 2585 20.0 60.1 251.5 2358 2610 28 67.5 282.7 2340 2623 35 72.7 304.3 2327 2632 45 78.7 329.6 2312 2642 55 83.7 350.6 2299 2650 65 88.0 368.6 2288 2657 75 91.8 384.5 2279 2663 85 95.2 398.6 2270 2668 95 98.2 411.5 2262 2673 100 99.6 417.5 2258 2675 101.33(1) 100 419.1 2257 2676 110 102.3 428.8 2251 2680 130 107.1 449.2 2238 2687 150 111.4 467.1 2226 2698 170 115.2 483.2 2216 2699 190 118.6 497.8 2206 2704 220 123.3 517.6 2193 2711 260 128.7 540.9 2177 2718 (1)大氣壓力

化工廠常見高聳的燃燒塔，是工業安全的設施之一。請說明其用途、構 造及設計之原理（高度）。（15 分）

製造氨之製程中（見圖二），氫與氮氣按照所需比例3：1 混合進入反應 器。反應器之轉化率為25%。生成之氨在冷凝器中回收，未反應的反應 物送回反應器。在進料中含有氬氣，其含量為每100 mol（氫+氮）進料 氣中含0.2 mol 氬氣。由於回流操作會累積氬氣，氬氣在反應系統中，最 高限度為在每100 mol（氫+氮）中含5 mol 氫氣。所以有一定量的回流 氣體需要排除。請計算下列問題： 回流比（recycle ratio, R/F）。（6 分） 排除率（purge ratio, P/R）。（6 分） （F, R, P 均為氫+氮之莫耳流量） 每100 mol 氫+氮進料可生成之氨量。（3 分） 進料F 75 mol H2 25 mol N2 0.2 mol Ar 轉化率25% 圖二 排除P 回流R NH3 冷凝器 反應器

109年專門職業及技術人員高等考試建築師、32類科技師 （含第二次食品技師）、大地工程技師考試分階段考試 （第二階段考試）暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試、 109年第二次專門職業及技術人員特種考試驗光人員考試試題 等 別：高等考試 類 科：化學工程技師 科 目：程序設計 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。 容器內若有少量氧也會引起腐蝕，今知腐蝕的速率為0.127 mm/year，並 且對氧的濃度是一段反應，腐蝕反應速率可以用下列反應式表示： 2 2 3 3 2 Fe O Fe O 2   若容器為球型，直徑為7.6 m，請問氧的濃度從21%降到19.5%需要多少 時間？（20 分） 氯乙烯的容許曝露濃度值（permissible exposure limit, PEL）是1 ppm， 它揮發到空氣的速率是7.5 g/min，若設計稀釋的安全係數（safety factor） 為5，請計算空氣流速需為多少才可達到所要求的PEL。（20 分） 在25℃及1 atm 的空氣以活性碳吸附甲基乙基酮（methyl ethyl ketone, MEK），氣體流速為5000 m3 /min，含有0.2 kg/100 m3，若表面流速為 100 cm/sec，吸附週期為8 小時，碳的總密度為0.8 g/cm3，在折點（break through point）時，碳的容量為0.04 g MEK/g carbon，請計算需要多大的 吸附床？（20 分） 在過去的幾年中，化學肥料的工廠規模有越來越大的趨勢。就廠房位置 而言，那些因素是應該考慮的？影響工廠尺寸增大的更重要因素又是什 麼？這些因素是否不論生產那種肥料類型都同等重要？請試著分析氨、 尿素以及磷肥加工廠的情況。（20 分） 在石化工廠中，若設計一反應器進行 6 6 2 6 12 C H +3H C H  的反應。氫氣過 量，反應速率對 6 6 C H 是一階反應，請問以成本考量應用栓流反應器（plug flow reactor）還是連續攪拌反應器（CSTR）？請詳述其原因。（20 分）

某公司在某投資案中有A、B 兩個選擇，A、B 兩方案的初期投資額， 以及隨後每一年的年度現金流量（annual cash flow）如附表所示。假設 年利率（fractional interest rate, i）為10%，A、B 兩方案的計畫生命週期 時間（project lifetime, n）各為5、7 年，試問： 此公司應採用那一方案獲利較高？（15 分） 此獲利較高之方案，在年利率為多少時，其淨現值為0？（10 分） 註：請先列出計算公式並計算每一年的年度貼現現金流量（annual discounted cash flow），再計算淨現值（Net Present Value, NPV）。 A（i = 0.10） B（i = 0.10） Year annual cash flow annual discounted cash flow sum of annual discounted cash flow annual cash flow annual discounted cash flow sum of annual discounted cash flow 0 -100 -100 -100 -100 -100 -100 1 30 25

30 25

30 ？ ？ 25 ？ ？

30 25

30 25

25

25 二、某一化工製程經初步設計、計算之後，發現其中有兩股冷、熱流分別需 要升、降溫，其溫度變化範圍、流量、熱容量分別如表所示。 Stream Supply Temp. Target Temp. Flow Rate Heat Capacity TS (℃) TT (℃) F (kg/h) CP(kWh/kg-℃) Hot 210 90 20,000 0.001 Cold 60 160 15,000 0.002 此兩股冷、熱流之加熱負荷或冷卻負荷（load of hot utility or cold utility, kW）分別為何？（10 分） 檢視表中之溫度範圍之後，發現這兩股冷、熱流有熱整合的機會。假設 熱交換器中之冷、熱流最小允許溫差為10℃，請利用「問題表（problem table）」的方式，求出最理想的狀況下來自外部之最低熱、冷負荷值（loads of minimum hot and cold utilities, kW）。與前一小題之熱、冷負荷比較， 分別可以節省多少加熱負荷或冷卻負荷？其比例為何？（15 分） 三、苯（benzene）可由甲苯（toluene）加氫（hydrogen）反應製成，其中苯 還可能繼續反應產生副產物聯苯（diphenyl），兩個主要反應式如下所示： methane CH benzene H C hydrogen H toluene CH H C 4 6 6 2 3 5 6 + → + benzene H 2C 6 6 ⇄ hydrogen H diphenyl H C 2 10 12 + 製程簡圖如下所示，在此假設各分離設備都能完全分離圖中所示的各成 分，所供應的氫氣中含有10%的甲烷（methane）： 為了盡量降低聯苯比率，因此在此一高溫氣相反應器中通常使用大量的 過量氫氣，在此假設進入反應器中的氫氣與甲苯的比例（mole ratio）固 定為5。在此反應器中，甲苯的轉化率為X = 0～1；此製程中主要產品 苯的選擇率（亦即苯的淨產量FB 與反應物甲苯在此製程中的消耗量FT 的比例）為S = 0～1，假設S 與X 之關係為： ) y selectivit : ; conversion : ( 1 95 .0 S X X X S − − = 附圖的製程中，若使用過量氫氣且轉化率不高，則將浪費大量的氫氣以 及甲苯，請修正此設計以降低反應物的消耗，修正必須注意到不可以造 成甲烷在製程中累積。（註：請於試卷中繪出修正後的流程圖）（15 分） 假設所需的苯產量為FB = 1,000 kmol/h，選定的反應率為X = 0.5，則 此一製程所需要輸入的甲苯流量是多少？反應器的輸入與輸出甲苯 流量分別是多少？（15 分） 四、一工程師擬設計一組蒸餾塔以分離一股含有A、B、C、D 四成分的混合 物，經初步模擬，發現下列各種狀況之下，使用蒸餾塔分離時，塔內的 氣體流量如表所示，其中，A/BCD 表示此一蒸餾塔能完全分離A（自塔 頂）及BCD（自塔底）。 試列出所有可能的蒸餾順序以依序分餾出A、B、C、D。（5 分） 試分別計算各種可能的蒸餾順序所需之塔內氣體總流量。（10 分） 依塔內氣體總流量最低之原則，選擇並繪出最佳的蒸餾順序。（5 分） “/”代表 分離任務 氣體流量 (Kmol/h) “/”代表 分離任務 氣體流量 (Kmol/h) “/”代表 分離任務 氣體流量 (Kmol/h) A/BCD 140 A/BC 110 A/B 80 AB/CD 180 AB/C 140 B/C 120 ABC/D 260 B/CD 160 C/D 200 BC/D 240

一蒸餾塔的進料中含有20%（莫爾分率）的丙烷、20%（莫爾分率）的 異丁烷、20%（莫爾分率）的異戊烷和40%（莫爾分率）的正戊烷的混 合物，若塔頂的出料中含有50%（莫爾分率）的丙烷、44%（莫爾分率） 的異丁烷和5%（莫爾分率）的正戊烷，塔底的出料中含有1%（莫爾分 率）的丙烷，假設進料流量為每小時100 莫爾，計算進料和出料中各成 份的流量為每小時多少莫爾？（25 分）

絕對壓力為2 atm 溫度為20.0℃的空氣以每秒15 公尺的速度進入一加熱 管，當其離開加熱管時的壓力為1.6 atm 溫度為90.0℃，假設此加熱管 的入口直徑為5.0 公分，出口直徑為7.0 公分，請計算空氣的出口流速 為每秒多少公尺？（25 分）

在一逆流式熱交換管（counter current heat exchange tube）中，管內流體 的溫度由120℃被冷卻降至30℃，管外流體的溫度由20℃升溫至60℃， 若此同一根熱交換管改為並流式操作（parallel current），則管內流體的 溫度將降至多少℃？管外流體的溫度將升至多少℃？（25 分）

某一製程其硬體購入的總金額為新臺幣300 萬元，折舊年限為10 年，若 10 年後的剩餘價格為新臺幣50 萬元，試以直線法（Straight line method） 和定率法（Fixed percentage method）計算此製程使用5 年後的資產金額 為多少新臺幣？（25 分）

以下管線圖中， ①～⑤號標示之管件名稱與功能各為何？（20 分） 虛線方框內的封閉 若要進行非破壞式拆解，應該從那一個管件開始著手進行 拆解？原因與原理為何？（5 分）

在工業程序中常見以下規格名詞，請說明其使用時機，並比較各小題中，兩個規格 在工程應用上的差異：（每小題5 分，共25 分）  Mesh 200 與 Mesh 325（Mesh number）  Schedule 40 與 Schedule 80（Schedule number）  Bi=0.1 與 Bi=10（Biot number）  EXPLOSIVES 1.1 與 EXPLOSIVES 1.4（通常用圖示）  LD1 與 LD50

某新創薄膜分離公司購置一臺中型40 吋寬幅的薄膜塗佈設備，成本為8 萬美元，使 用5 年後的設備剩餘價值為5 仟美元。該塗佈設備開機運轉的操作成本為每小時7.5 美元；一年的維護保養成本為1 仟美元；每一批次塗佈運轉時間為100 分鐘，塗佈 材料成本為8 美元。如果銀行利率為8%，請分別計算以下薄膜塗佈成本（以美元回 答）：（每小題10 分，共20 分） 每年生產量為 220 塗佈批次。 每年生產量為 550 塗佈批次。 （請接背面） 106 年專門職業及技術人員高等考試 建築師、技師、第二次食品技師考試暨 普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 全一張 （背面） 等 別 ：高等考試 類 科 ：化學工程技師 科 目 ：程序設計

某一公司買到一個富含硫酸鎂（MgSO47H2O）結晶岩的礦源，該礦山的結晶岩成分 有高達90wt%的硫酸鎂（MgSO47H2O），其餘為非溶解性的雜礦。該公司擬設計一 溶解、過濾、結晶與二次過濾的單元程序進行硫酸鎂（MgSO47H2O）的提純。在第 一個單元中加足量的水並加熱到43.3℃以溶解結晶岩，並形成硫酸鎂飽和水溶液。 再利用高溫過濾分離程序將非溶解性的礦物在43.3℃高溫的環境下濾除，濾餅的組 成比例為5kg 的飽和水溶液/100kg 非溶解性的礦物，濾液則輸送到結晶罐並降溫到 10.0℃以獲得結晶。含有結晶的泥漿再輸送到第二段過濾裝置進行固液分離，飽和水 溶液則回送到高溫溶解裝置。如果擬設計的程序為每小時處理20 公噸結晶岩的分離 純化程序，請回答以下問題：（註：在43.3℃下飽和硫酸鎂水溶液含有32wt%的 MgSO4，在10.0℃下含有23wt%的MgSO4） 試繪出此一程序的流程圖（ process flow diagram），並標示每一股管線內之已知成 分組成與條件。（10 分） 硫酸鎂（ MgSO47H2O）結晶固體的產率為何？（5 分） 在溶解程序中所需的補注水量 10 分） 此程序之回流量 /補注水量的比例為何？（5 分）

在工業規模下，要在下列系統中，分離各個產品要用那些操作方法？並說明選擇該 法的理由及其操作之特性。（每小題5 分，共30 分） 99 mol%苯，1 mol%水 苯與環己烷 乙醇與水（請說明以10 mol%乙醇水溶液製備成無水酒精之案例） 甲烷與氫 綠藻細胞與水 二氧化碳（10 mol%）與空氣

一氣體流含水溶性氣體成分A 及空氣。此氣體流經過一填充塔，以水洗吸收成分A。 A 對水之平衡關係符合亨利定律，y = 0.06 x（其中y 為A 之氣相莫耳分率，x 為A 之液相莫耳分率）。假設氣體流不帶走水分，A 為稀薄成分。本塔之終端條件為： 頂 底 x 0 0.08 y 0.001 0.009 請敘述一般填充塔之基本構造並說明填充物的形式及其功能。（5 分） 請計算本分離操作之傳送單元數NTU（Number of Transfer Unit）。（10 分） 若液側及氣側之傳送單元高度（height of transfer unit）Hx 與Hy，分別為Hx = 0.24 m 及Hy = 0.36 m，請計算填充區所需之高度。（10 分） 請敘述填充塔泛溢（flooding）現象，及其與所謂超重力操作之關係。（5 分）

一橡膠工廠中，萘流量為5 kg/min，需自21℃加熱至44℃。萘之熱含量為2000 J/kg-℃。 今欲使用一對流式（counter-current）套管熱交換器，以98℃之熱油加熱，熱油之出 口溫為60℃，總包熱傳係數（total heat transfer coefficient）為380 W/m2-℃，試問： 所對應之傳熱面積（m2）為何？（10 分） 若熱油之熱含量為2700 J/kg-℃，則熱油之流量為何？（10 分） 假設使用同向流式操作（co-current），所對應之傳熱面積（m2）為何？（5 分） 氣相流體及液相流體之加熱裝置有何分別？（5 分）

氯氣由以下反應生產： 4HCl + O2 → 2Cl2 + 2H2O 其中氧氣是由空氣供應，氧在空氣中之莫耳分率為21%。 若進料中之空氣量，超過使HCl 完全反應所需量之30%，則反應後之氣體成分為何？ （5 分） 反應器的材料選擇上有何建議？（5 分）

某紙廠以氣泡式流體化床燃煤鍋爐產生16 kg/cm2 的飽和蒸汽20 噸/時，產生的煙道 氣在經過一連串的降溫設備後，經過空氣預熱器降至150℃，再經過袋濾機後，送 至煙囪排放。空氣預熱器至煙囪間的設備有袋濾機與引風機，引風機依據爐膛之壓 力調整引風機之轉速，於開爐階段，煙道氣溫度低於140℃時bypass 袋濾機直接由 煙囪排放，當溫度超過140℃時才回歸常態操作，經袋濾機至煙囪，排灰亦是採用 自動化控制，其方塊流程如下所示。 請問引風機置於袋濾機上游還是下游，請述其理由。（5 分） 此系統為自動操作，應該如何啟動脈衝噴氣除灰，請述其控制原則。（5 分） 將此段由空氣預熱器出口至袋濾機至煙囪間之管路儀控圖畫出。（10 分） 並將管路上之line-identification 標出，並說明為何如此標示。（5 分）（管路之 內徑為24 吋） 汽鼓 煤 蒸發器 節熱器 空氣預熱器 鼓風機 袋濾機 引風機 爐內熱傳管 120℃ Air 150℃ BFW Steam 16 kg/cm2 104年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 全一張 （背面）

某廢棄物含水量為20%，烘乾後做元素分析得到組成如下所示： C H O N S Balance（灰） 60% 4.8% 20% 1.4% 0.64% 今以焚化爐處理該廢棄物，每小時進料量為300 kg，過量空氣為60%，一部分的煙 道氣回流與空氣混合進入爐內，假設燃燒反應為完全反應，離開焚化爐的煙道氣進 入驟冷塔降溫，其方塊流程圖如下所示 試問： 當回流煙的比率為0 時，煙道氣流量及組成為何？（15 分） 當煙道氣回流比率為0.5 及0.75 時，進入驟冷塔之煙道氣流量及組成各為何？ （10 分）

流程如第一題所示，引風機之操作溫度為攝氏150 度，煙道氣流量為250 Nm3/min， 引風機上游各項設備之總壓差約為200 mm 水柱，請問購買該風機時， 應開立之規格為何？（15 分） 驗收時又該如何去驗收？（10 分）

某工廠之廢水處理場，每天產污泥100 公噸，其含水率約為65%，以每公噸4500 元的價格委外清運，每年操作日數為300 日，廠商甲向其推銷污泥脫水機，以擠 壓方式可使污泥含水率降至55%，每小時可處理濕污泥15 公噸，耗電量為20 kW， 須多聘一人操作，該員工月薪40000 元，年終獎金1.5 個月，勞健保費約占月薪的 15%，該機械設備約2000 萬元；廠商乙提供類似的設備，含水率可降至50%，每小 時可處理濕污泥10 公噸，全自動化操作，不需另外雇人操作，耗電量約30 kW，該 設備費用約3000 萬元，若每年的設備維護費為售價的5%，請問你認為向那一家 廠商採購設備較為划算？電費以每度3 元計價。（25 分） Flue gas Water Flue gas Air 進 料 焚 化 爐 驟 冷 塔

以鐵鉬氧化物為觸媒之固定床反應器，進行甲醇氧化以製造甲醛的程序。 試寫出化學反應式。（5 分） 若以空氣為原料，求出完全反應時，進料之甲醇與空氣的莫耳比。（5 分） 甲醇在空氣中的最低與最高爆炸限度（limits of flammability）是6%與36% v/v。 若依之進料比，會引起爆炸。請說明閃點、燃點及爆炸限度的意義。（5 分） 在安全的考量下，若以串連的反應器，將甲醇分段加入（見圖一），使其不會達 到最低爆炸限度。假設空氣進料量為100 mol/s，請概述其設計及流程。（包括需 要幾個反應器？甲醇對各反應器之進料量各是多少？）（10 分）

一工廠以單效蒸發器生產一產物，產量10,000 t/y。生產成本為 $200/t。今有提議增 建設備成雙效蒸發器。投資成本 $2,500,000，可將生產成本降為 $120/t。請問此項 投資的還本時間（pay-back time）在利率為0、5%、10%、15%之狀況下，各為多 少？請詳述計算所做的各項假設。（25 分）

如圖二所示，以超過濾（ultrafiltration）來濃縮一溶液，假設溶質無法穿過薄膜，而溶 劑的穿透率J，在濃度極化（concentration polarization）的狀況下，可用下式表示： J = 1.5 × 10-5 ln (50/c)（m/s or m3/m2-s） 其中c (g/l)為溶質在濃縮側的濃度。 請說明濃度極化現象在超過濾操作上的意義。（5 分） 含有溶質濃度(c0) 0.5 g/l 的溶液，流量(Q0)為0.001 m3/s 需要濃縮到(c1) = 2.5 g/l。 試問所需之過濾面積(A)。（假設濃縮側之溶質濃度為c1）（10 分） 承題，若將上述程序改為兩階段濃縮，第一階段濃縮至1.15 g/l，第二階段濃縮 至2.5 g/l，則兩階段合併需要多少過濾面積？（10 分） cc c1Q1 c0Q0 QP = J A 反應器1 反應器2 空氣100 mol/s 甲醇 圖一 圖二 103年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 全一張 （背面）

氨氣（NH3）與空氣中的氧氣反應，是製造硝酸（HNO3）的一個步驟。 試寫出此一反應式。（5 分） 若氧氣較理論需要值過量20%，試問氨氣與空氣之體積比。（5 分） 在20℃，101.3 kPa 下，以所得之比例之氨氣與空氣混合後，進入一觸媒反應器， 進行下列反應： 4NH3 + 5O2 Æ 6H2O + 4NO 反應率為85%。試問此一觸媒反應器進料與出料之莫耳組成。（10 分） 從觸媒反應器出來的氣體繼續反應，其中的NO 最後有90%轉化為HNO3，計算 每一公斤氨氣進料可產生之硝酸重量。（5 分）

自甲苯製造苯的程序如下： C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 此反應伴隨一可逆之副反應，將苯轉化為較低價值的聯苯： 2 C6H6 C12H10 + H2 假設反應器之轉化率（以甲苯為基礎估算）為0.75，反應之選擇率（甲苯轉化為苯 占所有反應掉之甲苯之比率）為0.97。反應器之後接一液氣分離器，將氫氣與甲烷 完全與其他成分分離。苯、甲苯、聯苯假設可由蒸餾分離至純物質。並將氣體及甲 苯回流（recycle）至反應器，部分氣體排放（purge）。如下圖顯示： 排放與回流量之比例為α/(1-α)。進入反應器（進料加上回流總和）之氫與甲苯之莫 耳比為5：1。FT 為新鮮甲苯進料，RT 為甲苯回流。 請回答下列問題： 進料中維持氫過量的原因為何？（5 分） 排放（purge）之目的為何？（3 分） 在轉化率0.75，選擇率0.97 條件下，若苯之產量B 為265 kmol/h，新鮮甲苯之進 料量FT 為何？回流量RT 為何？（10 分） 請推導甲烷在回流與排放氣體中的莫耳分率(y)與α 之關係式。假設進料氫氣中不 含甲烷。（12 分） 反應器 排放（α） （氫、甲烷） 氣體 回流 （1-α） FT 甲苯回流 RT （苯、甲苯、聯苯） 苯（B） 聯苯 102年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

某公司有兩個投資方案，A 與B。兩案之現金流量（cash flow）如下表： 兩計畫的投資均預期五年結束。請比較此兩投資案的： 回收時間（Payback time）。（5 分） 淨現值（Net present value）（利率以7%計算）。（10 分） 貼現現金回報率（Discounted cash flow rate of return）。（10 分） 若以貼現現金回報率為比較基準，應選擇那一案？（5 分） 現金流量（百萬元） 年度 A B 0 -10 -10 1 1.6 6.4 2 2.8 5.2

4.0 4.0

5.2 2.8

6.4 1.6 三、一工廠產生500 m3/s 含0.1% SO2之廢氣（標準狀態下一莫耳氣體之體積為0.0224 m3）。 若須移去90%之SO2：  NaOH 溶液吸收再與氧反應成硫酸鈉，請計算NaOH 之用量（per year）。（10 分） 以碳酸鈣吸收再與氧反應成CaSO4‧2H2O，計算碳酸鈣之用量（per year）。 （10 分） 四、蒸發操作有單效及多效蒸發器之分。試從設備投資（換熱面積大小）及蒸汽用量 方面比較單效與三效蒸發器之優劣。（15 分） 解釋沸點上升（boiling point elevation）現象對蒸發操作之影響。（5 分）

混合氣體(90%CO, 10%O2)與過量空氣(79%N2, 21%O2)分別於298 K, 1.0 大氣壓下進 入燃燒器內燃燒。在絕熱條件下，出口氣體溫度為900 K。過量空氣百分比為何？ （20 分）出口氣體組成之莫耳分率為何？（15 分） CO之標準生成熱（heat of formation, 25 oC）為-110.52 仟焦耳/莫耳(kJ/mol)，CO2 之標準生成熱（heat of formation,25 oC）為-393.51 仟焦耳/莫耳，不同氣體隨溫度 變化之燃燒氣焓值(enthalpies of combustion gases,焦耳/莫耳(J/mol))數據如下： 溫度，K N2 O2 CO CO2 273 0 0 0 0 298 728 732 728 912 300 786 790 786 986 400 3695 3752 3699 4903 500 6644 6811 6652 9204 600 9627 9970 9665 13807 700 12652 13225 12748 18656 800 15756 16564 15899 23710 900 18961 19970 19125 28936 1000 22171 23434 22413 34308

有一製程如下圖所示，相關操作參數如圖中所附。由儲槽出口(“1”)至反應器入口(“2”) 之液體流體(密度為1000 kg/m3)體積流率為1.0 m3/min。假設流體為紊流（turbulent flow），出口(“1”)與入口(“2”)之流速相同。依照基量比例方法（base case ratio）， 若要增加30%體積流率，反應器入口(“2”)之壓力不變，則由儲槽出口(“1”)之壓力應 為多少巴（bar）？（15 分）若圖示之流程，開始投資之支出為500 萬元，一年 後收入為200 萬元，從第二年至第四年因維護更新器材，每年支出100 萬元，第五 年收入200 萬元，第六年再支出100 萬元，請問六年後投資金額共多少萬元？假設 有效年利率（effective annual interest rate）為3.0%。（15 分） 儲槽 熱交換器 反應器 “2” 位置 壓力(bar) 高度(m) “1” 4.2 20 “1” “2” 1.2 40 101年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第2次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 代號：01540 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

有一化工製程，其進料含98%反應物(A)與2%惰性物質(B)，經反應以生成產物(C)。 各單元依序為混和槽（mixer），反應器（reactor），平衡或突沸蒸餾器（flash）， 熱交換器（heat exchanger），分流器（splitter）與壓縮機（compressor），流程圖如 下所示： 為何需分流器將部分氣體排出此程序？（5 分） 對於平衡蒸餾器之操作，若增加溫度或降低壓力以增加產物(C)之純度（purity）， 請問有何缺失需考量？（5 分） 穩定操作下考慮在理想狀態，若平衡蒸餾器之進料為944.2 莫耳/時(mol/h)，進料組 成之A、B、C 莫耳分率分別為0.244、0.076 與0.680。平衡蒸餾器之操作溫度為 403 K，壓力為12 巴（bar）： 由平衡蒸餾器上方流出之氣體流量為多少莫耳/時；（15 分） 由下方流出之液體組成莫耳分率為何？（5 分） 由上方流出之氣體組成莫耳分率為何？（5 分） 蒸氣壓(PP*)與溫度(T)之關係：P *=Exp(C -C /(C +T))，P* 1 2 3 P 為毫米汞柱(mmHg)， 溫度(T)為K，C1、C2、C3為常數，1.0 毫米汞柱=1.333×10-3巴。 化合物 C1 C2 C3 A 15.7027 1807.53 -26.15 B 15.7260 1872.46 -25.16 C 15.8089 2654.81 -47.30 壓縮機 混合槽 反應器 平衡蒸餾 熱交換器 分流器 排氣 產物 進料

以下是某化工製程的部分程序流程圖（process flow diagram），圖中菱形符號數字 內表物流（stream）的編號，長方形內數字表溫度、單位為℃，梯形內數字表壓力、 單位為bar。 若冷凝器E-205 的熱移除量Q=3,140 MJ/h，冷卻水（cw）入口為30℃，出口為 40℃，總熱傳係數U=850 W/m2．℃，試計算此冷凝器的熱傳面積（m2）。（10 分） 若迴流槽V-201 的長度直徑比（length/diameter ratio）為3，16 號物流的流量為 2,170 kg/h，10 號物流的流量為5,970 kg/h，迴流槽內的液體密度為660 kg/m3， 試計算此迴流槽的大小尺寸。（10 分） 若再沸器E-204 的熱負荷量Q=2,490 MJ/h，試計算此再沸器的蒸汽使用量（kg/s） 以及其公用設施（utility）的年成本（US$）。假設此工場每年操作8,000 hrs， 中壓蒸汽（mps）的蒸發潛熱（latent heat of vaporization）為2004.1 kJ/kg，成本 為US$28.31/1000 kg。（10 分） 46 10.3 E-205 cw 89 10.4 mps 22 12 1 P-202 A/B 139 7.4 V-201 E-204 9 10 16 T-201 11 LIC FIC LIC 12 99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、記帳士考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

甲苯（toluene）儲存於1 atm、25℃的儲槽內，此槽與大氣連通。以製程安全的觀 點，試評估槽內蒸氣在平衡狀態下是否可燃（flammable）？（30 分） 甲苯的LFL（燃燒下限）=1.4 vol.% in air，UFL（燃燒上限）=6.7 vol.% in air。甲苯 的Antoine 方程式如下： 67 . 53 52 . 3096 0137 . 16 ) ln( − − = T Psat 式中， sat P 的單位為mmHg，T 的單位為K。

欲設計一反應器用於具腐蝕性的液體，若使用普通鋼材（A 材料），硬體成本約為 $5,000 美金，可使用期限為三年，若使用較好的不鏽鋼材質（B 材料），成本約為 $15,000 美金，假設兩種反應器在使用年限後其殘餘價值皆為零，且將再購置同樣 的反應器（價格與當初購買價格相同），若考慮年利率4 %，基於相同資本化成本 （equal capitalized cost），請問較好的不鏽鋼材（B 材料）使用年限應至少為多少 年才具有相當的經濟效應？（30 分）

有一室溫（25℃）液體反應物，須加熱至90℃後送入反應器，反應後液體溫度為 80℃，若想回收反應後液體之熱源，用以加熱室溫之反應前液體，請問應添購那些 設備？如何確認此設備添購具有經濟效益？請以簡單文字或圖示說明即可。（10 分）

在一個高壓高溫甲苯轉化為苯之甲苯加氫脫烷反應製程中，甲苯的轉化率僅有 70%，因此需要設計一個部分冷凝驟沸塔，以分離與回收過剩的氫氣再循環使用。 當反應器出口熱氣體以5597 kg mole/hour 的流量（F），經過冷却水熱交換器降溫 至310.8 K 後，進入耐壓 3344 kPa 的部分冷凝驟沸塔內，以進行產物的氣液相分 離。如果你（妳）設計的部分冷凝驟沸塔進料之四種成分（H, M, B, T）的平衡常 數及莫耳分率如下，試回答下列問題： 成分 平衡常數（Ki） 莫耳分率（Zi） 氫氣（H） 84.15 0.31767 甲烷（M） 11.24 0.58942 苯（B） 0.01233 0.07147 甲苯（T） 0.00454 0.02144 1.00000 如何計算離開冷凝驟沸塔之平衡氣相流量（V）與液相流量（L）？（12 分） 如何計算離開冷凝驟沸塔之平衡液相組成（xi）與氣相組成（yi）？（12 分） 如果進料溫度低於或高於310.8 K，如何計算正確的冷凝驟沸塔溫度（T）、氣相 與液相流量（V, L）及組成（y, x）？（請列出計算的方法與步驟）（12 分） 如何設計一個直立式的部分冷凝驟沸塔之直徑與高度？（請列出設計的方法） （12 分） 試繪此甲苯加氫脫烷反應製程之概念設計流程圖（conceptual design flow diagram）。反應器之進料除了補充氫氣及甲苯進料外，尚有未反應之循環氫氣 及未反應之循環甲苯，而這些循環物都經過一連串之分離過程而來的，主要的 有冷凝驟沸塔、冷及熱交換器、燃料塔、苯塔、重芳香烴去除塔等。（12 分） 98年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、消 防設備師考試、普通考試不動產經紀人、記帳士、第 二次消防設備士考試暨特種考試語言治療師考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

在使用一套短管蒸發器的操作時，熱交換面積常被蒸氣污物阻塞，造成熱傳係數 隨操作時間的變化如U = U0 [1 – 3×10-7(t)]，U0：乾淨蒸發塔之熱傳係數，設計值為 2900 J/(sec)(m2)(K)；t：自清洗後之蒸發器使用時間（sec）。在一間生產生質乙醇 工廠內，有一個設計為了獲取濃縮20% 含醣類水溶液的蒸發器，每年需要蒸發掉 50×106公斤的水。此蒸發器的蒸發率為每公斤蒸氣可產生0.9 公斤水蒸氣。蒸發器 的蒸氣進口端與醣類水溶液出口端的溫差為20℃。蒸氣進口溫度為170℃，熱值 為2.05×106 J/(kg-steam)。當蒸發器離線清洗24 小時，除正常操作員外還需要額外 兩位工人協助清洗工作。假設每年攤提在此蒸發器清洗前後的最適操作天數的總 費用（ATE）、固定費用（AFC）、操作費用（AOE）與最適操作天數（X）的關係 如表列，回答下列問題： X(days) AOE($/yr) AFC($/yr) ATE($/yr) 0 5.165×105 2.01×106 2.5265×106 2 6.410×105 2.06×106 2.701×106 5 5.900×105 2.12×106 2.710×106 10 5.940×105 2.23×106 2.824×106 20 6.890×105 2.68×106 3.369×106 30 1.080×106 4.35×106 5.430×106 如何求得熱交換面積值與蒸發器使用時間（t）關係式？（25 分） 如何計算清洗工作前後，蒸發器的最適操作天數（X）？（5 分） 對應於此蒸發器的最適操作天數，總熱交換面積值多少？（5 分） 試繪此短管蒸發器之流體進出端的資訊流程圖。（5 分）

蒸餾是一重要程序單元，近年來其設計基本上都藉由模擬軟體（如：ASPEN PLUS, Chem CAD, Pro II 等）來完成。假設我們要設計分離甲醇及水的蒸餾塔，其產品純 度為99% 甲醇及99% 水，而入料流量為10 kmol/hour 且入料組成為50% 甲醇及 50% 水。試回答下列問題：（40 分） 如何決定塔壓（column pressure）？ 如何選用氣液平衡的計算方法（須針對汽相及液相的可能非理想性來考量）？ 如何求得最小迴流比（minimal reflux ratio）？ 如何求得理想板數（theoretical tray number）？ 如何求得最佳入料位置（feed tray location）？

熱整合（heat integration）是節能減碳一個直接且有效的方法。熱交換網路（heat exchanger network）的設計提供簡單的節能評估。考慮如下表所示的兩個熱流（hot stream）及兩個冷流（cold stream）之間的熱交換：（30 分） Stream number Capacity flow rate（kW/℃） Supply temperature （℃） Target temperature （℃） 

180 60  1 150 30  2 15 135  5 80 125 假設熱交換的最小溫度差為10℃（△Tmin=10℃） 計算所需最小蒸氣用量（the minimum heat loading, kW）及所需最小冷卻水用量 （the minimum cooling loading, kW）； 計算熱流（hot stream）及冷流（cold stream）的窄點溫度； 畫出T-H（temperature-enthalpy）圖及相對應的Grand composite curves。 97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記帳士考試、97年第二次 專門職業及技術人員高等暨普通考試消防設備人員考試、普通考試不動產經紀人考試試題代號：01540 等 別：高等考試 類 科：化學工程技師 科 目：程序設計 全一張 （背面） 三、某一公司計畫一新的投資案，投資金額是10,000 萬元，而折舊年限是15 年。下表 列出分年的現金流入（cash flow）。假設重貼現率是5.5%。（30 分） （須於試卷上作答，否則不予計分。） 試填入分年現金流入現值及現金流入累計值； 由所填入的數值計算淨現值（NPV）及本投資計畫的回收年限（含小數點一位）。 單位：萬元 年 基年 現金流入 現金流入現值 現金流入累計值 2007 10,000 （基年） 2008 2015 2009 1535 2010 1490 2011 1455 2012 1420 2013 1395 2014 1370 2015 1350 2016 1330 2017 1315 2018 1300 2019 1285 2020 1275 2021 1260 2022 2355

有一程序，其反應如下：（40 分） A(l) + B(g) Æ C(g) + D(l) (1) , D(l) + B(g) Æ C(g) + U(l) (2) , D 為主反應的主產物，U 為不需要的副產品 熔點（0C） 沸點（0C） 原料成本 （新台幣／moles） A -30 175 48 B -100 -35 17.7 C -110 -85 D -50 215 U -40 235 如欲減少U 的產生，應該如何設計等溫操作的反應器，並應該有何操作策略。 使用理論係數比率進料（A:1 mole, B:1 mole），可得產物（D:0.8 mole,U:0.2 mole 以及少量C,A）。如果使用過量的進料A（A:5 mole, B:1 mole），可得產物 （D:0.95 mole,U:0.05 mole 以及少量C,A）。請計算此兩方法每生成1 莫耳D 各 需花費的原料成本（暫時無須考慮設備、操作及迴流成本），並評估其優劣。 如果使用過量的A，則反應器的流出物是A, B, C, D, U 的混合物。今進料中所需 的成分（A 和B），可在混合物中藉由蒸餾分離單元而加以回流出來。如果讓A 和B 保持在一起，又已知C 具有腐蝕性，在此考量下應該如何設計蒸餾程序將 A/B, C, D, U 分離出來，請針對各種可能的分離序列，畫出流程圖，並試就經濟 成本（操作成本）、產品純度、廢棄物處理量的角度分析其優點及缺點。

依據被分離物質的化學與物理性質特性，選擇適當的分離方法，可使每單位產物產 生的廢棄物為最少，且使用最少量的能源。今分析蒸餾塔操作產生廢棄物的主要途 徑為： 使用過多能源（包含熱能或電能） 塔頂產品含有清餾份的不純物 塔本身排出之廢棄流（可能含有重金屬、腐蝕性或不安定性的物質） 塔頂凝結器之凝結負荷不足，出口產品沒有完全凝結，由排氣孔逸出 潛逸散源（fugitive emission sources） 請針對上述狀況逐一說明其可能造成的環境衝擊，並逐項提出具體可行之解決辦法 以預防污染，節省能源。（40 分） 96年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、法醫師考試暨普通考試記帳士考試、96年第 二次專門職業及技術人員高等暨普通考試消防設備人員考試、普通考試不動產經紀人考試試題 代號：01540 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

有一化工製程包含反應器（一級不可逆反應）、分離單元及迴流系統。反應轉換率 （conversion）和迴流（recycle flow），有密切的關係。今將此系統之總年度成本 （TAC）表示如下：TAC=(80/x)[(2000+150×ln(1/(1-x))]。 其中x 為轉換率(0<x<1)， 80/x 為迴流量的影響，2000 為迴流造成迴圈設備的成本 效應，150×ln(1/(1-x))為反應器的設備成本。 請畫出總年度成本與轉換率的關係，並找出使總年度成本最小的最適轉換率。再針 對反應轉換率、迴流量探討如何擬定操作策略，期使總年度成本最小，達到最適化 流程。（20 分）

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）

蒸餾（distillation）程序是化學工業中重要的單元操作之一，蒸餾之方法有二，即簡 單蒸餾（simple distillation）和精餾（rectification 或fractionation），請簡述其操作不 同處，並以簡圖示意之。又者，簡單蒸餾的程序中，微分蒸餾（differential distillation）和平衡蒸餾（equilibrium distillation）之操作方式不同處何在？（20 分）

利用觸媒反應器，經由甲醇（methanol）製備甲醛（formaldehyde），其反應方程式 如下： CH3OH→HCHO + H2 假設反應器之單程轉化率（single-pass conversion）為75％。在多單元操作程序 （multiple-unit process）中，反應物甲醇從反應產物（甲醛和氫氣）中被分離出來。 當甲醛的產率為 900 公斤/小時，試求在下列兩種程序操作中，所需的甲醇進料（莫 耳/小時）為何？（氫原子量=1克/莫耳，氧原子量=16 克/莫耳，碳原子量=12 克/莫 耳） 不具回流之操作程序。（10 分） 將未回收之反應器甲醇完全回流至反應器再予反應。（10 分）

某化工廠中的更新設備，有下列三種選擇： 設備名稱 甲 乙 丙 材質名稱 碳鋼 不銹鋼 鎳合金 設備成本 $7,000 $13,000 $16,000 設備年限 四年 七年 八年 年維修費用 $2,000 $1,500 $1,200 假設年複利率為12％，且不考慮物價波動，則甲、乙和丙三種設備選擇中，在考量 最低資本和操作成本支出以獲得最大的利潤，以那一種材質為佳？（20 分） 94 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、記帳士考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

苯乙烯（styrene）的生產程序，是由乙苯（ethylbenzene）以鐵為觸媒所製備之可逆 反應式如下： C6H5CH2CH3⇔C6H5CHCH2 + H2 反應在高溫和低壓時，平衡向右有利於苯乙烯的生成。然而，副反應（side reaction） 於高溫時變得明顯；假設乙苯之氫解產生甲苯（toluene）和甲烷（methane）是唯一 之副反應： 請簡述程序（process）在化學工業中的意義。（5 分） 試建構苯乙烯程序之簡單流程圖（flow diagram）。（10 分） 苯乙烯製造程序中之乙苯進料經常伴隨著蒸汽（steam），把蒸氣當作稀釋劑，使 得平衡向右，有利於苯乙烯之生成，並且壓制副反應及延長觸媒壽命。試說明蒸 汽對中之流程圖的改變。（5 分）

含正戊烷（n-pentane）60 莫耳百分率和正己烷（n-hexane）40 莫耳百分率的混合溶 液置於半連續式（semi-continuous）的蒸餾器（still）中，正戊烷在液相和氣相的莫 耳分率，分別以x 和y 表示，其平衡關係式如下： bx ax y + = 1 當x = 1 時，y 的值為何？並求出a 和b 的關係式。（5 分） 假設在蒸餾之初，與混合溶液平衡之正戊烷在氣相的莫耳分率為y = 0.82，試求 出a 和b 的數值。（5 分） 假設a 和b 保持定值，試問正戊烷在殘留液體中的莫耳分率為0.5 時，殘留液體 的總莫耳數與原總莫耳數之比值為何？（10 分）

某工廠在其連續兩座蒸餾塔Ⅰ與Ⅱ之分離程序中，蒸餾塔Ⅰ之進料（X1 桶/天）價格 為$42/桶，由蒸餾塔Ⅰ之餾出液（distillate, X3 桶/天）為X1 之40%，其價格為$53/桶， 而底部產物（bottom product, X2 桶/天）送至蒸餾塔Ⅱ再進行分離，其餾出液（distillate, X4 桶/天）為$68/桶及底部產物（bottom product, X5 桶/天）為$42/桶。若此工廠對於 由蒸餾塔Ⅱ產出之X4 需求量為200 桶/天，另需200 桶/天銷售至市場；而X4 之產量 為X2 之50%至70%之間，X5 之產量為X2 之30%至50%之間，此進料X1 處理量最 多不超過2000 桶/天，每一蒸餾塔之操作費用為每桶進料$1.25，請依上述求出最佳 進料（X1）以及最佳獲利？（25 分）

在化工程序中，何謂回流（recycle）、分流（bypass），請簡述其作用並以流程圖表 示之。（10 分） 由丙烷脫氫反應中可得丙烯，反應式如下： C3H8 → C3H6 + H2 若反應器之轉化率（once-through fraction conversion）為40%，而F5 的莫耳流率為 50 莫耳/小時。（15 分） 計算F1 至F6 之莫耳流率。 計算出整個程序之轉化率（overall fraction conversion）為何？

在程序設計中，流程圖主要由許多單元（unit）及連接單元之流體（stream）結合而成， 對於複雜的流程圖，需將流程圖分配（partitioning）成不同之單元組合，並以優先順 序（precedence ordering）排出不同單元組合之順序，以便簡化此流程圖之分析。若此 單元組合包括數個單元，則另需先設定某些流體（tearing）以分配單元組合成為個別 單元再分析之。請依照下列流程圖，求得其單元之分配及優先順序，並且找出包含最 少變數數目之設定流體，其中S13 必須是設定流體之一（如虛線所示）。（25 分） （註：A 至I 為單元，S1 至S13 為流體，每一流體所附號碼為變數數目）

何謂共沸蒸餾（azeotropic distillation）及萃取蒸餾（extractive distillation），請說明其 差異，並以流程圖表示之。（25 分） 80% C3H8 20% C3H6 純C3H8 H2 C3H6

有兩種不同廠牌的泵（pump）A 與B，將考慮應用到某一化工程序上。此兩種泵有 不同的安裝費用、維修費用、殘餘價值與預期服務年限如下表所示。若實際利率 （effective interest rate）為10%，希望在現值（present worth）較低的考慮下，應選 擇何種泵？（25 分） A B 安裝成本 (installed cost) $18,000 $25,000 年終維修費用 (uniform end-of-year maintenance) $4,000 $3,000 殘餘價值 (salvage value) $500 $1,500 服務年限 (service life) 2 年 3 年

考慮有一化工程序其恆溫管式反應器（isothermal tabular reactor）中有兩平行化學反 應，如下式： product A k⎯→ ⎯ 1 waste A k⎯→ ⎯ 2 若進料成份A 為純質（ 0 A C ），第一式化學反應為一階反應（first order），第二式化學 反應為二階反應（second order），並定義選擇率（selectivity） ） （ ） （ converted A mol A product mol 轉化莫耳數 產品莫耳數 = S 試分析選擇率與轉化率（conversion） 0 0 ) ( A A A C C C x − = 的關係為何？（25 分）

設計環氧乙烷（ethylene oxide）的製造程序，可以考慮由乙烯（ethylene）在具有回 流的觸媒反應器中氧化，而獲得環氧乙烷，其單程反應轉化率20%，化學反應式如 下： O H C O H C

2 2 4 2 2 1 → + 考慮反應器的進料比率；氧對乙烯為2 公斤莫耳（kg mol）對1 公斤莫耳（kg mol）， 但氧可由空氣供應（若空氣中含氮與氧之比為3.76：1）。反應器的出料經由分離器 （separator）分離，純化後的產品環氧乙烷移送到下一個程序，其它氣體成份全部回 流，送回反應器繼續參與反應。若新鮮進料恆定維持氧對乙烯的公斤莫耳（kg mol） 比為2，並維持乙烯進料速率為常數。試分析計算： 比較在開始第1 程與第25 程進入反應器氣體的莫耳組成？（15 分） 比較在開始第1 程與第25 程的轉化百分比（percent conversion）？（10 分） 四、試詳述何謂反應蒸餾（reactive distillation）？程序設計選用反應蒸餾的時機為何？反 應蒸餾有何優缺點？（25 分）

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）