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 ： 01510 全一頁

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、一恆溫牛頓流體（ Newtonian fluid ）在孔隙（ slit ）中軸向流動。此孔隙中二板距 2B ， 寬 W ，軸向長 L （ B << W << L ），壓力降為 P0 -PL ，請導出體積流率之關係式。假 設流動為層流（ laminar flow ），流體之黏度（ viscosity ）為 μ 。（ 20 分）

• 二、一逆向流（ counterflow ）之熱交換器使用溫度為 20 ℃，流量為 12,500 kg/h 的冷水 將 17,000 kg/h 之四氯化碳從 80 ℃降溫為 40 ℃。管外（四氯化碳側）之熱傳係數 為 1,600 W/m 2 ℃，管內（冷水側）之熱傳係數為 10,000 W/m 2 ℃，管壁之熱傳阻力 可忽略。四氯化碳之比熱為 0.20 cal/g ℃，水之比熱為 1 cal/g ℃，請問此熱交換器熱 傳面積為多少？（ 1 cal = 4.184 J ）（ 20 分）

• T k k 三、一環狀壁（ annular wall ）之內半徑及外半徑分別為 及 ，其上之壁溫分別為 及 （ T > T ）。此管壁之熱傳導度（ thermal conductivity ）隨溫度線性變化，從內管 壁之 變化至外管壁之 ，環狀壁之長度為 L ，請求解經管壁之熱流量（ heat flow through the wall ）。（ 20 分） 0 r 1 r 0 T 1 0 1 0 1

• 四、一批粗戊烷（ crude pentane ）包含 15 mole % 正丁烷（ n-butane ）及 85 mole % 正戊烷 （ n-pentane ），如以大氣壓力下簡單之批次蒸餾（ batch distillation ）去除 90% 的正 丁烷，剩下液體（ remaining liquid ）之成分為何？平均相對揮發度（ relative volatility ） 可假設為 3.5 。（ 20 分）

• B 五、反應物 A 擴散進入半徑為 之球狀觸媒（ spherical catalyst ）反應生成生成物 B ， R A → R " a c D 。觸媒內單位體積 A 之反應速率為 = -k 。在觸媒表面反應物 A 之濃度 為 。有效擴散係數（ effective diffusivity ）為 ，請問觸媒內 A 之濃度分布為何？ （ 20 分） A 1 A AR c A

座號：

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 ： 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、有一氣體的行為遵循狀態方程式： RT b P V = -) ( ，其中 P 為壓力、 V 為莫耳體積、 T 為溫度、 b 為常數。

•  當 1 mol 的該氣體在一密閉系統中自狀態 1( P =2 bar, T =200 K) 變化到狀態 2 ( P =8 bar, T =400 K) ，試計算熵（ entropy ）的變化。在 1 bar 下平均的熱容 Cp =8 cal/mol · K ，常數 b =8×10 -5 m 3 /mol ， 氣體常數 R =8.314 J/mol · K=1.987 cal/mol · K=82.06 cm 3 · atm/mol · K 。（ 10 分）

•  試估計在壓力為 8 bar 時的 Cp 值。（ 10 分）

• 二、有一壓力為 1,000 kPa 的水蒸氣（ steam ），進行ㄧ個定焓（ constant-enthalpy ）程序 最後膨脹到 100 kPa 與 125 ℃，

•  試估計蒸氣在最初狀態的蒸氣品質（ quality ），以及該程序的熵（ entropy ）變化。 （ 10 分）

•  若將該蒸氣假設為理想氣體，試計算在最初狀態的蒸氣溫度與該程序的熵變化。 （ 10 分）

• 已知水在壓力 1,000 kPa 下的飽和溫度為 179.8 8 ℃，由蒸氣表可查到的蒸氣性質如下：

• 三、對於一個由物質 1 與 2 所構成的雙成分系統，在氣－液平衡時，系統的總壓力 P 與 各成分莫耳分率之間的關係為：

其中 yi 與 xi 分別為氣相與液相中 i 成分的莫耳分率， γ i 為 i 成分的活性係數（ activity coefficient ）， 為純物質 i 在系統溫度下的蒸氣壓。若在 80 ℃下各成分的性質分 別為： sat i P

座號：

試計算：

•  溫度為 80 ℃， x 1 =0.05 時之系統總壓與氣相各成分之莫耳分率。（ 10 分）

•  溫度為 80 ℃， y 1 =0.05 時之系統總壓與液相各成分之莫耳分率。（ 10 分）

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 ： 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、有一包含甲烷 (CH4) 與水蒸氣的氣體混合物，在 1 bar 與 300 ℃下進料至一反應器， 進行的化學反應與其標準反應熱分別如下：

反應後氣體混合物離開反應器時的溫度為 600 o C ，各成分的莫耳分率為： y (CO2) = 0.05, y ( CO)=0.15, y (H2O)=0.15, y (H2)=0.65 。氣體的熱容( CP )與溫度的關係可以經驗式表 示：

其中 R 為氣體常數， T 為溫度且單位為 K 。各氣體之常數 A 、 B 、 C 、 D 分別如下表 所示：

試計算生成每莫耳的氣體產物需要加多少熱至反應器。（ 20 分）

• 五、有一由物質 1 與 2 構成的雙成分系統，在 25 ℃下將兩種純物質混合所造成的體積 變化 (m 3 /mol) 為：

其中 x 1 與 x 2 分別為物質 1 與 2 的莫耳分率。已知兩種純物質的莫耳體積各為 5 m 1 10 6.2 -× = V 3 /mol 與 4 2 10 1.2 -× = V m 3 /mol

 試估計在 25 ℃下將 4 10 8.0 -× m 3 的物質 1 與 3 10 1.6 -× m 3 的物質 2 混合後的總體積。 （ 15 分）

•  若假設混合物為理想溶液（ ideal solution ），則混合後的總體積為若干？（ 5 分）

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 ： 01530 全一頁

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。

•  本試題之相關公式、物理常數、符號意義及設計參數未提及時，請自行合理推斷與假設。

• 一、考慮液相非等溫反應， A 為反應物， T 為溫度， X 為 A 的轉化率 =[ （開始反應時 A 的濃度 -反應後 A 的濃度） / 開始反應時 A 的濃度 ] 。如以 T 為橫軸， X 為縱軸，分別 畫出以下三種反應中 X 隨 T 的變化： (i) 不可逆反應、 (ii) 吸熱可逆反應、 (iii) 放熱可 逆反應。前述三種反應中，如何選擇反應溫度可使反應器的體積最小？須敘明理由， 否則不予計分。（ 20 分）

• 二、一催化反應 在批次（ batch ）反應器內進行。實驗結果顯示，所用觸媒的活性 隨時間遞減，且遞減速率正比於其活性，但與 X 及 Y 皆無關。若該反應為二階 （ second order ），求 X 的濃度隨時間變化的關係。（ 20 分） Y X →

• 三、反應物 X 可能經由兩種途徑反應： (i) Z Y X ⇔ ⇔ 、 (ii) 與 Y X ⇔ Z X ⇔ ；所有反應 都是可逆反應，且反應速率常數皆相同。如何由實驗數據判斷 X 是由那種途徑反應？ 如考慮液相化學反應： Z Y X → W Y Z → + ， + ，應如何混合反應物 X 與 Y 以得到 最多的產物 Z ？須敘明理由，否則不予計分。（ 20 分）

• 四、氣相反應 2A 在一體積為 1 升的連續攪拌反應器（ continuous stirred tank reactor ， CSTR ）內進行， A 的入口濃度固定為 1 （莫耳 / 升）。在穩態條件下，吾人得到以 下四組實驗數據： (4.46, 0.9) 、 (0.37, 0.5) 、 (0.05, 0.2) 、 (0.01, 0.1) ，其中每個括號內 的第一個數字為體積流率（升 / 時），第二個數字為 A 的出口濃度（莫耳 / 升）， 求該反應的反應速率。（ 20 分） B →

五、某一反應的反應速率倒數 (-1/ r ) 與其轉化率 X 的關係如下圖所示：

-1/

r

X

應如何串聯一個連續攪拌反應器（ continuous stirred tank reactor ， CSTR ）與一栓流反 應器（ plug flow reactor ， PFR ），並分別選擇兩者體積使其總體積為最小？（ 20 分）

座號：

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 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。

•  本試題之相關公式、物理常數、符號意義及設計參數未提及時，請自行合理推斷與假設。

• 一、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 o C ）為 -110.52 仟焦耳/莫耳( kJ / mol )， CO2 之標準生成熱（ heat of formation , 25 o C ）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：

• 二、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/m 3 ) 體積流率為 1.0 m 3 /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）

（請接背面）

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

座號：

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 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

• 三、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( P P * )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。

壓縮機

混合槽

反應器

平衡蒸餾

熱交換器

分流器

排氣

進料

產物

年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第 次 代號 ： 01550 全一頁

101 2 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：

 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、敘述苯乙烯－丁二烯橡膠及順丁二烯橡膠之製備：包括原料（單體），聚合物，聚 合方法。（ 12 分）

• 二、簡述橡膠製程中'硫化＂（ vulcanization ）之目的及其方式。（ 8 分）

• 三、試述以電解法製造氯氣及氫氧化鈉的製程。（ 20 分）

• 四、氯乙烯 VCM 之氧氯化製程是將乙烯與氯氣或與氧氣及氯化氫分別反應，得到二氯 乙烷，再生成產品。請寫出各自之化學反應式及總和之化學反應式，並試畫其生產 流程簡圖。（ 20 分）

• 五、說明高分子合成所使用之聚合方法：本體聚合法、溶液聚合法、懸浮聚合法及乳化 聚合法的異同。包括：參與反應之各成分、聚合度、聚合速率及其他特性。（ 20 分）

• 六、合成氣之二主要組成成分為何？（ 5 分）寫出自煤以及自天然氣製備合成氣之化學 反應式。（ 10 分）試舉一例說明使用合成氣經由費雪－托普許（ Fischer-Tropsch ） 法製備碳氫燃料之化學式及方法。（ 5 分）

座號：

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 ： 01560 全四頁 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

※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、某一製程包括一個反應器及兩支蒸餾塔，主要的干擾是進料組成經常變動。假設此 製程之各成分組成還算容易量測，試比較並簡單陳述 (a) 及 (b) 兩種控制方式對第二支 蒸餾塔塔底組成的控制效果（注意：僅組成之測量點不同）。（ 10 分）

• 二、圖為兩種常見的熱交換器溫度控制系統設計，均使用冷卻水控制某主要製程產品之 溫度。相對於設計 (a) ，試評論設計 (b) 的優點。（ 10 分）

• 三、如圖所示為某一蒸餾塔塔頂及塔底產品組成對獲利的關係（用相對於最佳獲利的百 分比表示），假設此蒸餾塔塔頂或塔底產品組成的控制難易度差異有限，但因故只 能針對塔頂或塔底其中之一的組成做較嚴格準確的單點控制，另一處之組成則只能 透過經常性的化驗結果作因應調整，因此變動幅度較大，有可能達到約± 1.5% 左右。 試簡單評論應該選擇塔頂或塔底產品組成做嚴格準確的單點控制？（ 10 分）

座號：

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 ： 01560 全四頁 第二頁

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

程序控制

• 四、圖為一 packed-bed 反應器，由於放熱量頗高故使用熱交換器控制反應器最高溫處之 溫度，冷卻水之控制閥應該選擇儀控失效開（ Failure Open ）還是儀控失效關（ Failure Close ）？訊號選擇器 (TY) 應該選擇最大之訊號還是最小之訊號？控制器應選擇正作 用（ Positive Action ）還是反作用（ Negative Action ）？請簡述理由。（ 10 分）

• 五、某兩個串聯式反應器，當第一個反應器加熱流控制閥之閥開度增加 10% 後，第二個 反應器出口端之溫度變化如圖所示。試據此估算一階帶時延模式之參數值（方式不 限，參數不要求太精準）。（ 10 分）

• 六、如圖所示是一個閉環路控制系統（使用比例積分微分控制器但是參數未知），在設 定點增加 10% 後所呈現的控制效果（包括受控變數（ controlled variable ）及控制變 數（ manipulated variable ）），您的主管希望此受控變數能維持的更穩定，請提出 修改建議方向。（ 10 分）

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 ： 01560 全四頁 第三頁

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

程序控制

七、某一個閉環控制系統使用比例積分控制器且原並無任何穩態偏差，當時間為零時發 生一個 D 大小的持續性干擾改變量，圖為幾個不同的比例積分控制器參數值所呈現 的控制結果（比例控制參數相同，積分控制參數不同），試比較這幾個積分控制器 參數值的相對大小（從小到大依序排列）。（請附簡要說明）（ 10 分）

八、如圖是一個包括三個混和槽的混和系統及其出口成分回饋控制圖，假設已知量測儀 器、程序及控制閥、控制器、干擾（ B ）等之轉移函數依序為

Gs(s)=1 (%/(mole/m 3 ) ), Gp(s)Gv(s)=2/(10s+1) 3 (mole/m 3 )/%), Gc(s)=2 (%/%) Gd(s)=1/(10s+1) 3 ((mole/m 3 )/(mole/m 3 )),

假設此程序原來控制狀況良好（雖使用比例控制器但原並無穩態偏差），當時間為 零時 B 發生了一個 5(mole/m 3 ) 大小的持續性干擾改變量，試問當控制回復穩定之後， 出口成分的改變量為何？（請附簡要推導過程）（ 10 分）

• 九、所示為一閉環控制系統方塊圖，原開環程序具備過阻尼（ overdamped ）動態特性， 當僅使用比例控制時，若希望此一閉環控制系統具備欠阻尼（ underdamped ）動態 特性，試求解此一比例控制器調諧值之可用範圍。（ 10 分）

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 ： 01560 全四頁 第四頁

等 別：

高等考試

類 科：

化學工程技師

科 目：

程序控制

• 十、圖為一個攪拌槽熱交換器，已知主要控制目標是產物出口溫度，控制變數是加熱油 流量，但是加熱油流量常受其他共用加熱油之單元的干擾，並不太穩定。試為此程 序設計一套溫度 -流量串級控制系統，並簡述使用溫度 -流量串級控制之效果優於傳 統單環溫度控制器之處。在調諧此一溫度及流量控制器時，應該先調諧那一個（溫 度控制器或流量控制器）？（請簡述理由）（ 10 分）