104 年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 代號 ： 01510 全一頁

食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

輸送現象與單元操作

考試時間：

2 小時

座號：

※注意：

 可以使用電子計算器。

•  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。

• 一、請繪出分餾塔（ fractionating tower ）的示意圖。在圖中指出：進料（ feed ）、塔底產 品（ bottom product ）、塔頂產品（ overhead product ）、增濃段（ enriching section ）、汽提段（ stripping section ）、回流（ recycle ）、冷凝器（ condenser ）及 再沸器（ reboiler ）。（ 17 分）

• 二、有一個很大的平板，在 x 方向的厚度為 2L ，在 y 及 z 的方向都是無窮大。平板的溫 度為 T ，它只是 x 方向的函數。在平板的兩端 x ＝ L 處及 x ＝ -L 處（ x ＝ 0 在板的中 央）溫度都維持在 Tw 。平板會產生熱量，單位時間、單位體積所發出的熱量為 R 。請由殼的能量均衡（ shell energy balance ）開始，導出穩態（ steady state ）下溫 度 T 與地點 x 的關係式。（ 25 分）

• 三、空氣和二氧化碳的混合氣（氣體莫耳流率 V2 ＝ 100 kg mol/h ，二氧化碳莫耳分率 yA2 ＝ 0.20 ）和純水（液體莫耳流率 Lo ＝ 300 kg mol/h ，二氧化碳莫耳分率 xAo ＝ 0 ） 流入一個混合器中混合（溫度＝ 293 K ，壓力＝ 1.0 atm ）。氣體和液體完全混合且 平衡後由混合器中分別離開。氣體莫耳流率為 V1 ，二氧化碳莫耳分率為 yA1 ；液體 莫耳流率為 L1 ，二氧化碳莫耳分率為 xA1 。 293 K ， 1 atm 下的亨利定律（ Henry's law ）為 yA1 ＝ 0.142 × 10 4 xA1 。請算出 L1 與 V1 的莫耳流率分別為多少 kg mol/h 及 xA1 和 yA1 的值分別為多少？假設水不會揮發進入氣相。（ 30 分）

• 四、在直徑 5 cm 濕壁塔（ wetted-wall column ）牆壁流下的是水，水會蒸發進入空氣 中。請求出在雷諾數 Re ＝ 10,000 、 40 ℃及 1 atm 下，水外面空氣薄膜的有效厚度 （ effective thickness ）δ為多少 cm ？

參考資料：

40 ℃， 1 atm 下空氣密度ρ =1.129 × 10 -3 g/cm 3 ，黏度μ＝ 0.0186 cp ；水在空氣中的擴 散係數 DAB ＝ 0.288 cm 2 /s ； Sh ＝ 0.023 Re 0.81 Sc 0.44 ；在薄膜理論下 kc ＝ DAB/ δ，其中 kc 為質傳係數； DAB 為擴散係數；δ為空氣薄膜有效厚度。 Sh ≡ kc D/DAB ，其中 D 為濕壁塔直徑。（ 28 分）

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 代號 ： 01520 全一張 （正面）

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

化工熱力學

考試時間：

2 小時

※注意：  可以使用電子計算器。

•  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。

• 一、  請針對一開放系統（ open system ）列出完整的能量平衡通式（微分式），並分別 說明式中各項的物理意義 ， 其中功的交互作用（ work interactions ），共包含三種 不同的類型，也需分項列出 ， 並逐一說明 。 （ 12 分）

•  請以熱力學第二定律來解釋如下之現象：排列骨牌需耗費相當多的時間與精力； 但骨牌傾倒只在瞬間，且不太費力。（ 5 分）

• 二、一密閉且保溫良好之容器盛裝 5 kg 之水，其中的飽和液態水與飽和蒸汽各占一半的 容積，今已知容器內的平衡壓力（ P ）為 2.0 MPa ，請根據飽和蒸汽表的資料計算 ， 並回答如下之問題 ：

•  容器的總體積與容器內的溫度各為何？（ 6 分）

•  此濕蒸氣單位重量之熱焓（ ܪ ෡ ）值為何？（ 6 分）

•  當壓力為 2.0 MPa 的飽和水汽化為飽和蒸汽時，其莫耳熵（ molar entropy ， S ）與 莫耳 Gibbs 自由能（ G ）的變化量各為何？（ 6 分）

飽和蒸汽表

表中 T , V , S , U 分別為溫度、比容、熵、內能；上標 L 與 V 分別代表飽和液相與飽 和汽相。水的分子量為 18.015 g/mol 。

• 三、 2014/07/31 夜晚的高雄氣爆造成巨大災害，根據相關紀錄還原當日的情況如下：原本 正常的丙烯輸送壓力約為 40 kg/cm 2 ，在 20 ： 50 時出現管線壓力突降至約 13.5 kg/cm 2 的異常狀況。業者將輸送管兩端閥門關閉後進行保壓測試，從 21 ： 40~22 ： 10 管線 壓力均維持在 13.5 kg/cm 2 ，業者就此推斷管線並無洩漏，隨即於 22 ： 15 又開始泵 料，最終導致大量丙烷外洩，而釀成大禍。

•  請以熱力學的知識詳細說明業者誤判管線無洩漏的關鍵因素為何？此事件出現的 「魔術數字」 13.5 kg/cm 2 其物理意義為何？（ 10 分）

•  對於該丙烯輸送管，正確的保壓測試應該如何做，請詳細說明。（ 5 分）

•  如果管線輸送的是甲烷（天然氣主要成分），當管線有洩漏，在進行保壓測試時 其情況與丙烯有何不同，請詳細說明。（ 5 分）

物性資料：

丙烯：臨界溫度＝ 364.9 K ；臨界壓力＝ 46 bar ；臨界體積＝ 181 cm /mol

甲烷：臨界溫度＝ 190.4 K ；臨界壓力＝ 46 bar ；臨界體積＝

99.2 cm 3 /mol

座號：

3

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 代號 ： 01520 全一張 （背面）

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

化工熱力學

• 四、有一鋼瓶內盛裝 800 mol 的氮氣，已知鋼瓶內的體積為 0.12 m 3 ，壓力為 300 bar ， 假設氮氣的性質可用 van der Waals 狀態方程式計算，試估算：

•  鋼瓶內氮氣的溫度。（ 5 分）

 該氣體之熱膨脹係數α（ coefficient of thermal expansion ）。（ 8 分）

參考資料 ：

van der Waals

狀態方程式

熱膨脹係數的定義 P T V V ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∂ ∂ 1 α

已知氮氣之 Tc ＝ 126.2 K ， Pc ＝ 33.9 bar ， R ＝ 8.31439 J mol -1 K -1 ＝ 83.1439 bar cm 3 mol -1 K -1 。

• 五、有一瓶 58 度（體積百分率）高粱酒，假設酒中只有水與乙醇兩種成分，請依據相 關物性數據進行以下之計算，計算時請保留五位有效位數。

•  假設 58 度之高梁酒是由純水（成分 1 ）與純乙醇（成分 2 ）以體積比 42 ： 58 調 製而成，請估算該酒品中乙醇所占有的莫耳分率（ x 2 ）。（ 5 分）

•  請先分別計算純水與純乙醇在 25 ℃且 1 atm 下的莫耳體積（ molar volume ） 。 （ 5 分）

•  由於混合前後體積會有所變化，經由實驗量測得知在 25 ℃且 1 atm 下 ， 水與乙醇 混合後的莫耳過剩體積（ ex V ， molar excess volume ）與組成（ x 1 ， 水的莫耳分

• 率）的關係為：

上式之適用範圍 0.6 ＜ x 1 ＜ 0.9 。請估算一瓶 0.75 L 的 58 度高粱酒中含有乙醇的重 量。（ 10 分）

物性資料：

純水與純乙醇在 25 ℃且 1 atm 下的密度值分別為 0.99705 g/cm 3 與 0.78546 g/cm 3 ； 水與乙醇的分子量分別為 18.015 g/mol 與 46.069 g/mol 。

• 六、有一桶內盛有含苯 0.2 wt% 之均相水溶液，該桶內混有空氣 ， 總壓力為 101.325 kPa ， 溫度為 25 ℃ 。 假設空氣在水溶液中之溶解度可以忽略不計 。 請以最簡化的汽液平衡 關係（ Raoult's law ）推算該桶內汽相中苯之濃度 。 請依下列子題逐一作答 ：

 請估算桶內汽相中苯之莫耳百分率 。 （ 7 分）

•  請由汽液相平衡關係式出發，逐步推導出最簡化的汽液平衡關係式（ Raoult's law ），式中須包含系統之溫度（ T ）、壓力（ P ）、汽相組成（ y i ）、液相組成 （ x i ）。推導過程中也請同時逐步將每一假設列出 。 （ 5 分）

參考資料 ：

飽和蒸汽壓 P S 與溫度 T 之關係式 ： Antoine 方程式

成分 1 水：

A

＝

8.10765

；

B ＝ 1750.286 ； C ＝ -38.150

成分 2 苯：

A ＝ 6.89272 ； B ＝ 1203.531 ； C ＝ -53.262

分子量：苯：

78.114 g/mol ；水： 18.015 g/mol

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 代號 ： 01530 全一張 （正面）

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

化學反應工程（亦稱化工動力學）

考試時間：

2 小時

※注意：

 可以使用電子計算器。

 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。

• 一、當 A 濃度降至 0.1 mol/liter 以下時，顏色指示劑會產生變色現象。利用此指示劑來 探討反應物 A 之分解反應動力。 A 以 0.6 mol/liter 進料流率進入兩個串聯的混流反 應器，每個反應器體積皆為 400 立方公分。當以 10 cm 3 /min 的穩定進料流率時， 第一反應器內的顏色產生變化；當以 50 cm 3 /min 穩定進料流率時，則第二反應器內 的顏色產生變化。藉由前述之資訊，請寫出反應物 A 之分解速率式？（ 25 分）

二、在一批式反應器進行之連續反應：

只考慮一次反應及純 A 反應物注入反應器，

式中：

CB ＝ B 之濃度，莫耳分率

CAo ＝ 1.0 ＝ A 初始濃度，莫耳分率

k1 及 k2 ＝反應常數， min -1

t

在某次實驗中， CB 濃度與反應時間之結果，如下表所示：

•  請計算最適化之 k1 及 k2 值。（ 15 分）

•  k1 及 k2 反應常數要如何變化，使能增加產物 C 之產量？請以成分分佈說明之。 （ 10 分）

座號：

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 代號 ： 01530 全一張 （背面）

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

化學反應工程（亦稱化工動力學）

三、二氧化硫在白金（ Pt ）觸媒進行異相催化氧化反應形成三氧化硫，其反應機制可由 下列子反應組成：

如果第 ⑵ 步驟是此反應之反應決定步驟，而且白金表面活性基位 [ST] 定義為： [ST] ＝ [S] ＋ [SO ads ] ＋ [SSO 3 ads ] （ [S] ：未被占據基位； [SO ads ] ：被氧原子所占據基位； [SSO 3 ads ] ：被三氧化硫分子所占據基位），請寫出此反應之反應速率式。（ 25 分）

• 四、油氣經過填充床反應器在 630 ℃及 1 大氣壓下進行裂解反應，反應器內填充半徑為 0.088 mm 的球狀二氧化矽 -氧化鋁觸媒。以 hr liquid/cm 60cm 3 r 3 ⋅ 之進料速率，可以達 到 50% 轉化率，及下列已知數據：

液體密度：

0.869 g/cm 3

進料分子重量：

255 g/mol

填充床密度：

0.7 g catalyst/cm r 3 （ r 代表反應器）

觸媒密度：

0.95 g catalyst/cm 3 catalyst

觸媒之有效擴散係數（ De ）：

8 × 10 -4 cm 2 /s

平均反應物濃度：

0.6 × 10 -5 mol/cm 3

假設一級反應及數據均視為微分反應器之平均數據。

•  請計算此反應之平均速率？（ 10 分）

•  此反應速率下，請計算說明觸媒孔洞擴散是否具影響性？並計算效率因子及反應

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 代號 ： 01540 全一張 （正面）

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

※注意：

 可以使用電子計算器。

 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。

• 一、某紙廠以氣泡式流體化床燃煤鍋爐產生 16 kg/cm 2 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。

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/cm

2

•  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）

座號：

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 代號 ： 01540 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

二、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：

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

Flue gas

Water

Flue gas

Air

進

料

焚

化

爐

驟

冷

塔

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）

• 三、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 Nm 3 /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）

• 四、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）

104 代號 ： 01550 全一頁

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

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

工業化學

考試時間：

2 小時

※注意：

 禁止使用電子計算器。

•  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。

• 一、以化學反應方程式試述氨鹼法（又稱 Solvay 法）製造碳酸鈉（俗稱蘇打）的過程。 （ 20 分）

• 二、  製造聚酯型寶特瓶的主要原料為何？（ 10 分）

•  寶特瓶回收再製的方法為何？（ 10 分）

• 三、在化學工業中，甲醇是如何製造的？它的主要用途有那些？（ 20 分）

• 四、  製造聚氨酯樹脂的主要化學成分為何？它的主要用途為何？（ 10 分）  尼龍的特性和主要用途為何？（ 10 分）

五、何謂 P 型和 N 型半導體的摻雜？（ 20 分）

座號：

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 代號 ： 01560 全三頁 第一頁

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 程序控制

考試時間：

2 小時

座號：

※注意：

 可以使用電子計算器。

 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。

• 一、若在測量訊號中引入正向單位步階變化（ unit step change ）並輸入至某一離線之比 例積分控制器（ PI controller ），則相應控制器輸出 ( ) t p ′ 會如下圖所示。請計算其控 制器增益（ controller gain, c K ）及積分時間（ integral time, 1 τ ）。（ 10 分）

t

Slope=1.2 min

-1

)

(

t

p

′

• 二、假設一個從 10 到 20 psi 壓力的步階變化（ step change ）會造成以下壓力計的測量響 應（ response ）：

R

(mm)

再假設此輸入與輸出間關係可表示成： 1 ζ 2 ) ( ) ( 2 2 + + = ′ ′ s s K s P s R τ τ ，其中 P ′ 與 R ′ 分別代

表實際壓力偏離值（ psi ）及壓力計輸出偏離值（ mm ）。請利用下圖粗略估計出前 述二階轉換函數中之 K 、 ζ 及 τ 。（ 15 分）

Overshoot

Decay

ratio

Performance

characteristic

ζ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Period

2

π

τ

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 代號 ： 01560 全三頁 第二頁

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 程序控制

三、一個程序的真實轉換函數為

為了能設計出相應控制器，請將上述函數簡化成二階帶時延（ SOPDT ）的形式。請 利用 Skogestad 之 half-rule 近似法，即將最大欲忽略之時間常數（ time constant ）的 一半看作是時延（ time delay ），另外一半則加到此簡化函數中最小被保留之時間常 數上，而其他欲忽略之較小時間常數則全部看作是時延。（ 15 分）

• 四、低溫液態之乙二醇（比重 1.11 ）在正常情況下以 200 gpm 之流率被泵過裝有冷凝器 及控制閥之管線，假設整條管線之總壓降保持固定，但通過冷凝器的壓力降會與流 率平方成正比且在正常情況下是 30 psi ；另外，假設在正常情況下通過控制閥的壓 力降是 10 psi ，其相應流量特性（ flow characteristic ）函數值為 0.5 ，即 0.5 ( ) = l f 而 在此 l 為閥桿位置；最後假設除了冷凝器及控制閥以外通過管線本身之壓降可忽略。 在正常情況下操作一段時日後，因預測市場未來需求減少，欲將前述管線中流率降 低至 50 gpm 。若原設計中採線性（ linear ）控制閥且其流量特性函數為 l l f = ( ) ，則 相應控制閥閥桿位置為何？若改採等百分比（ equal percentage ）控制閥且其流量特 性函數為 -1 25 ( ) l l f = ，則相應控制閥閥桿位置為何？（ 18 分）

五、考慮以下三階程序控制系統之方塊圖：

G v

穩定之控制器參數 的範圍。（ 20

• 。請計算出使系統 c K 分）

• 六、假設某程序可以被簡單的時延（ time delay ）模式描述，並以比例控制器控制之。另 外，控制閥與感測器的轉換函數可分別表示為 0.5 ) ( = = v v K s G 及 2 ) ( = = m m K s G 。 若小幅改變設定點會造成系統輸出以 5 分鐘為週期的持續震盪，則請計算此時的控 制器增益（ controller gain ）及前述程序模式中時延長度。（ 12 分）

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 代號 ： 01560 全三頁 第三頁

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 程序控制

七、考慮以下兩個液位控制結構：

LT

LC

LT

LC

(

a

)

(

b

)

若兩系統中控制器及感測器皆為直接驅動（ direct acting ），即輸出與輸入的改變方 向（增加或減少）相同，則請分別決定兩者正確的控制閥的型態（ Air-to-Open or Air-to-Close ）。（ 10 分）