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

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

※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、試申述下列名詞之意涵（請以公式或繪圖表示並說明）：（每小題 4 分，共 24 分）

•  史特凡 -波茲曼（ Stefan-Boltzmann ）定律

•  克希何夫（ Kirchhoff ）定律

•  韋恩移位定律（ Wien displacement law ）

 濕度百分率（ percentage humidity ）

•  相對濕度（ relative humidity ）

 噴霧塔（ spray tower ）

• 二、流體 A 在 20 ℃下，流經一支水平、平滑的圓管，圓管直徑 D=3 cm ；質量流率 w=20 g/s 。請求出必需要有多少（ dyne/cm 2 ） /cm 的壓力梯度（ pressure gradient ） 才能達到這個流量。流體 A 的密度 ρ =0.935 g/cm 3 ；黏度 μ ＝ 1.95 cp 。

• 三、有一支順流式（ cocurrent flow ）雙套管熱交換器（ double pipe heat exchanger ）。原 油流入內管，由 32.2 ℃被加熱至 93.3 ℃，流率為 0.252 kg/s 。外管流的是加熱用的 煤油（ kerosene ）；流入溫度為 232.2 ℃，流出溫度為 104.4 ℃。請求出：

•  煤油質量流率為多少 kg/s ？（ 8 分）

•  需要多少 m 2 的熱傳送面積？（ 16 分）

• [ 註 ] ：總包熱傳係數 Uo =390.7 kcal/(h ． m 2 ． ℃ ) ；原油比熱 Cpc =0.56 kcal/(kg ． ℃ ) ； 煤油比熱 Cph =0.60 kcal/(kg ． ℃ ) 。

• 四、有一 A 和 B 的混合物（ A 占 35 mole % ； B 占 65 mole % ）流入分餾塔（ fractionating tower ）中加以蒸餾。塔頂產品（ overhead product ）中含 93 mole% A ；塔底產品（ bottom product ）中含 2.2 mole% A 。進料中含一半的氣體及一半的液體。分餾塔的回流比 （ reflux ratio ）為 4 。平衡時 xA 與 yA 的關係如下表所示：

平衡時 xA 與 yA 的關係

請在試卷上自行繪出方格紙，並以麥泰（ McCabe/Thiele ）法作圖，求出分餾塔中要 有多少平衡階？請在試卷中寫出解題步驟。（ 28 分）

代號 ：

01510 全一頁

座號：

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

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、  請以文字敘述熱力學第一定律的物理意義。（ 5 分）

•  請以文字敘述熱力學第二定律的物理意義。（ 5 分）

•  請以文字敘述能源危機與熱力學第二定律的關係。（ 5

• 分）

• 請以圖形及公式表示一開放系統（以與外界交換質量、熱量及機械功）的熱力學

•  第一定律。（ 5 分）

•  請以圖形及公式表示一封閉系統（以與外界交換熱量及機械功，但沒有質量交換） 的熱力學第二定律。（ 5 分）

• 二、某工廠有一熱交換器，使用蒸汽冷凝將一股物料從 60 ℃加到 90 ℃，物料的流量為 hr kg 1300 ，比熱為 kg K kJ 3 ⋅ ；使用蒸汽量為 hr kg 60 ，全部被冷凝為飽和水，蒸汽的潛 熱為 。請回答下列問題：

•  物料吸收的熱量是多少？（ 8

• 分）

•  蒸汽放出的潛熱為多少？（

• 8 分）

•  下列那種情況可能發生？並分別說明原因。

•  熱交換器保溫不良。（ 3 分）

•  蒸汽的流量計測量值太低。（ 3

• 分）

•  被加熱物料熱交換器在出口溫度計測量值太高 。 （ 3 分 ）

代號 ： 01520 全一張 （正面）

座號：

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

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 化工熱力學

三、在 500 K 時，下列反應的平衡壓力為 0.1 mmHg ；

•  溫度為 1000 K 時反應的平衡壓力是多少 ？ （ 5 分）

•  溫度為 1000 K 時單位莫爾吉伯氏反應自由能是多少 ？ （ 10 分）

•  溫度為 1000 K 、 CO2 分壓為 20 mmHg 時， CaCO3 分解反應繼續進行的化學勢是 多少 kJ ？ （ 5 分）

•  溫度為 1000 K 、 CO2 分壓為平衡壓力時， CaCO3 分解反應繼續進行的化學勢是多 少 mol kJ ？ （ 5 分）

四、有一雙成分系統 A+B 在 25 ℃的飽和蒸汽壓數據如下：

請回答下列問題：

•  A 的飽和蒸汽壓是多少？（ 3 分）

•  B 的飽和蒸汽壓是多少？（ 3 分）

•  此一系統共沸物中 A 的莫爾分率是多少？（ 3 分）

•  此一系統共沸壓力是多少？（ 3 分）

•  此一系統是最高沸點共沸還是最低沸點共沸 ？ （ 3 分）

•  在 A 液相莫爾分率為 0.5 時 A 的活性係數是多少？（ 5 分）

•  在 A 液相莫爾分率為 0.5 時 B 的活性係數是多少？（ 5 分）

代號 ： 01520 全一張 （背面）

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

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、利用管狀反應器進行氣相反應 A → B ，此反應器由 50 支平行管組成，其每支的長度 為 1.2 m ，管子內徑為 2 cm 。已知此反應為一階反應，速率常數在 93 ℃和 149 ℃分 別為 0.00152 s -1 和 0.074 s -1 ，請問當 A 進料速率為 225 kg/h 且操作壓力為 8 atm 時， 其操作溫度要控制在幾度，才可使 A 的轉化率達到 80% ？（ A 的分子量為 73 ； R=0.082 L ． atm/mol ． K ）（ 25 分）

• 二、請由表所列出四氫呋喃（ THF ）熱分解之半生期數據來決定其反應速率式，單位以 莫爾、升與秒表示之。（ 25 分）

H2 C

H2 C

CH2

CH3

O

C2 H 4 +CH4 +CO

C3 H 6 +H2 +CO

etc.

• 三、在固定體積的球型反應器內進行零階氣相反應 A → rR ，反應器內含 20% 之惰性物 質，反應 2 分鐘後壓力由 1 大氣壓升至 1.3 大氣壓。若此反應發生於恆壓批式反應 器內，其進料壓力為 3 大氣壓且含 40% 惰性物質，試問反應 4 分鐘後其體積變換率 為多少？（ 25 分）

• 四、零階液相放熱反應 A → B 發生於 80 ℃下的套管式混流反應器（ CSTR ），反應器內 的冷卻水水溫為 0 ℃，熱傳係數為 120 W/m 2 ． K ，請計算會使反應器失控爆炸的臨 界熱傳面積。（ 25 分）

註：

k=1.127 kmol/m 3 ． min at 40 ℃

k=1.421 kmol/m 3 ． min at 50 ℃

溶液的熱容量： 4 J/g ；密度： 9×10 2 kg/m 3 ；反應熱： -500 J/g ；進料溫度 40 ℃； 進料速率 90 kg/min ； A 的分子量 90 g/mol 。

代號 ：

01530 全一頁

座號：

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

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

代號 ： 01540 全一張 （正面）

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、自甲苯製造苯的程序如下：

此反應伴隨一可逆之副反應，將苯轉化為較低價值的聯苯：

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：

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

排放與回流量之比例為 α /(1α ) 。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）

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

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 程序設計

• 二、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）

• 三、一工廠產生 500 m 3 /s 含 0.1% SO2 之廢氣（標準狀態下一莫耳氣體之體積為 0.0224 m 3 ）。 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）

代號 ：

01540

全一張

（背面）

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

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、  試述以奧士華法製造硝酸的化學反應原理。（ 10 分）  試述以哈伯法製氨的化學反應原理。（ 10 分）

• 二、以化學分子結構式說明製造尼龍 -6 （ Nylon-6 ）和尼龍 -6/6 （ Nylon-6/6 ）的反應原理 各為何？（ 20 分）

• 三、以化學反應方程式試述雙酚 -A （ Bisphenol-A ）的製造方法。它在化學工業中的主要 用途為何？（ 20 分）

• 四、以化學分子式說明導電性高分子聚合物導電的原理。試舉兩種常見的導電性高分子 聚合物。（ 20 分）

• 五、試述多層印刷電路板（ Printed circuit board ， PCB ）的基本組成。（ 20 分）

代號 ：

01550 全一頁

座號：

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

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

※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、如圖一之閉環控制系統，試透過羅氏穩定準則（ Routh Stability Criteria ）判定能維持 閉環控制系統穩定之 Kc(%/%) 值範圍。（ 15 分）

圖一

• 二、圖二為某一閉環控制系統使用三組比例、積分、微分控制器參數之伺服響應，已知 此三組比例、積分、微分控制器參數分別為  Kc=6, Ti=5, Td=1 ；  Kc=5, Ti=5, Td=1 ；  Kc=5, Ti=5, Td=0 ，試判斷此三個響應分別使用那一組控制參數，並請 說明判斷的理由。（ 15 分）

圖二

• 三、某一閉環控制系統使用比例積分控制器 (Kc=2%/%, Ti=4 min) ，在時間為 0 時，設 定點由原穩態值 50% 調整為 60% ，其伺服響應如圖三所示，試大略估計此一響應之 震盪週期 P(min) 。假設你的主管告訴你，震盪週期 P(min) 與積分控制參數值 (Ti=4 min) 之比應約略介於 1.5 至 2 之間較合理。依你的觀察，此一響應是否符合 此一性能評估標準？在不改變比例控制參數值的前提之下，試根據此一指示，建議 一個恰當的積分控制參數值。（ 15 分）

圖三

代號 ： 01560 全一張 （正面）

座號：

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 代號 ： 01560 全一張 （背面）

等 別： 高等考試

類 科： 化學工程技師

科 目： 程序控制

• 四、某一液位控制系統如圖四所示，操作人員表示此一控制閥呈現明顯的非線性特性，已造 成操作上的困擾。你如何解決這個問題？請將設計繪在試卷上並附說明。（ 15 分）

圖四

• 五、如圖五所示，某一製程需要依一定比例混合 A 及 B 兩股進料（亦即 A ／ B=R ）， 其中進料 B 受上游單元影響，流量經常有小幅度的變動，另外，假設混合後之進料 成分可量測（如圖五中之 AT-101 ）。

 試為其設計一個比例控制及串級控制系統，以儘可能控制混合後之進料成分。

（ 10 分）

•  請分析其靈敏度（即 B 股進料有一單位變動量時， A 股進料之變動量）。（ 10 分）

圖五

六、如圖六所示，反應物進料使用蒸汽加溫之後進入反應器，假設反應器主要的受控變 數為反應器出口組成，由於組成量測通常需時較長，而且此一製程的外界干擾可能 相當多，因此，常使用串級控制方式提升控制效果。

•  試利用圖六中已標註之量測資料 (CT-101, TT-102, FT-103) ，於試卷上繪出你所設 計的串級控制系統（示意圖即可），設計圖中需包括所謂的 External Reset Feedback(ERF) ，並說明 ERF 在串級控制系統中的作用。（ 10 分）

•  此一控制閥應選用空氣失調時開（ Air Failure Open, FO ）或空氣失調時關（ Air Failure Close, FC ）？你所搭配的控制器分別應選用正作用（ Direct or Positive Action ）型或反作用（ Reverse or Negative Action ）型？請敘述理由。（ 10 分）