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 代號 ： 01510 全一張 （正面）

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、請推導連續方程式（ equation of continuity ） ) ( v t ρ ρ ∇ ⋅ = -∂ ∂ ，並清楚定義符號及假設。 （ 20 分）

• 二、在恆溫下以活性碳吸附含有苯甲酸之水溶液，實驗條件如下：水溶液體積為 0.25 公 升，苯甲酸起始濃度為 485 mg/L ，活性碳添加量為 0.1 ～ 2.0 g 時，達吸附平衡之後 苯甲酸濃度如附表所示。

•  請畫出吸附等溫線。（ 10 分）

•  並以朗繆爾（ Langmuir ）吸附模式分析。（ 10 分）

• 三、以三種具有不同熱導係數（ KA, KB, K C ）所組成之板狀材料，在一熱傳實驗量得其穩 態溫度分布如附圖，請討論並解釋：

•  （ KA, KB, K C ）之相對大小。（ 10 分）

•  （ q 2 ", q 3 ", q 4 " ）之相對大小。（ 10 分）

T

A

B

C

1

2

3

4

q

2

"

q

3

"

q

4

"

x

座號：

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 代號 ： 01510 全一張 （背面）

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

四、請依下列各題之敘述，指出其錯誤並加以更正：

•  關於蒸餾（ distillation ）塔之敘述：（ 12 分）

•  蒸餾塔進料位置以下的可稱為 rectifying （精餾） section 。

•  所謂的 q-line 其截距代表著進料的狀態。

•  迴流比（ reflux ratio ）與建塔硬體成本呈正向關係。

•  關於氣提（ stripping ）之敘述：（ 8 分）

•  是指物質由氣相傳遞至液相。

•  與蒸發（ evaporation ）是指同一單元操作。

•  關於平板上邊界層的厚度之敘述：（ 12 分）

•  紊流（ turbulent flow ）時速度邊界層厚度約大於熱傳邊界層厚度。

•  速度邊界層厚度總是比熱傳邊界層厚度大。

•  速度邊界層厚度與熱傳邊界層厚度的相對大小與雷諾數（ Reynolds number ）有關。  在單元操作及輸送現象之敘述：（ 8 分）

•  熱傳中的熱擴散係數（ thermal diffusivity ）類似於流體力學中的黏度（ viscosity ）。

•  熱傳中的舒密數（ Schmidt number ）類似於質傳中的捨伍德數（ Sherwood number ）。

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 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、有一理想氣體，其分子量為 28 g/mol ，被儲存在一個容積固定為 0.5 m 3 的儲槽中， 其初始壓力與溫度分別為 15 bar 與 300 K 。這個儲槽中的氣體可以經由包含一個閥 件的管線持續被傳送到另一個壓力保持固定在 1 bar 的容器中，這個傳送過程可以 遵循下列兩種情況之一，請分別計算下列二種狀態下，原來儲槽的壓力降到 5 bar 時總共會被移出多少公斤的氣體？

•  若過程非常緩慢，假設氣體的溫度可以保持固定。（ 5 分）

•  若過程非常迅速，假設熱量散失可以忽略。（ 10 分）

• ［已知氣體常數 m /mol K 8.314 Pa 8.314 J/mol K R 3 ⋅ ⋅ = ⋅ = ， 熱容（ heat capacity ） 30 kJ/kmol K Cp ⋅ = 。］

• 二、水蒸氣（ steam ）在壓力 12 bar 、溫度 500 ℃（狀態 1 ）經由直徑為 8 cm 的管線以 5 m/s 的速度進入一個渦輪機，然後在壓力 0.4 bar 、溫度 150 ℃（狀態 2 ）下經由直 徑為 20 cm 的管線排出渦輪機，若進出口的位能差可以忽略，且該渦輪機之功率輸 出為 10 kW ，則該渦輪機之熱散失有若干 kW ？（ 20 分）

在各狀態下，水蒸氣每公斤的焓（ enthalpy ）與體積可以由蒸汽表查出如下：

H1 = 3476.1 kJ/kg

V1 = 0.2945 m 3 /kg

H2 = 2780.9 kJ/kg

V2 = 4.8658 m 3 /kg

• 三、有一個發明家聲稱可以製作出一個新型裝置，該裝置在運轉時穩定的導入 2 bar 、 300 K 的空氣，然後將輸出的空氣分成較高溫（ 310 K ）與較低溫（ 270 K ）兩股流 線，壓力皆為 1 bar ，而較高溫空氣之質量流率是較低溫者的 3 倍，該裝置並沒有作 功，而且保持絕熱。若空氣可以假設為理想氣體，其定壓下的熱容（ heat capacity ） 30 kJ/kmol K Cp ⋅ = ，請以熱力學的定律評論該裝置是否可行。（ 15 分）

座號：

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 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、 6 mol 的 NaOH(5H2O) 水溶液與 5 mol 的 HCl(4H2O) 水溶液在 25 ℃下依下列化學反應 式生成 11 mol 的 NaCl(10H2O) 溶液：

NaCl(10H O) HCl(4H O) NaOH(5H O) 2 2 2 → +

若生成物之溫度亦維持在 25 ℃，則該化學反應之反應熱為若干 kcal/mol ？（ 20 分） 各化合物的標準生成熱列於下表：

• 五、在溫度 300 K 下，一個由物質 1 與 2 所構成的雙成分氣-液平衡系統，若成分 1 在液 相中的莫耳分率為 0.5 ，請計算系統之平衡壓力與氣相莫耳分率 y1 。已知在溫度 300 K 下，各純物質的蒸氣壓分別為 78.12 P sat 1 = kPa 與 36.42 P sat 2 = kPa ，兩個成分之活性 係數（ activity coefficient ）的經驗式可以分別表示成： 2 2 1 Ax ln γ = 與 2 1 2 Ax ln γ = ，而 且系統會在 0.7 y x az 1 az 1 = = 形成共沸點。（ 30 分）

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

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：

 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、考慮化學反應 氣 固 氣 C B A → + ，其中 B 為球形顆粒，與 A 反應掉的 B 會在未反應的 B 表面形成一不會剝離的灰層（ ash layer ）。假設 A 在灰層內的擴散為速率決定步驟， 求未反應之 B 的半徑隨時間 t 的變化。（ 25 分）

• 二、考慮在一連續式的攪拌反應器（ continuous stirred tank reactor, CSTR ）內所進行的液 相串聯反應 C B A → → ， B A → 與 C B → 皆為一階（ first order ）反應，反應速率常 數分別為 k 1 與 k 2 ，進料中只有 A 。令 X = （ A 的消耗量 / A 的初始量）， Y = （ B 的生 成量 / A 的消耗量）。以 Y 為縱座標， X 為橫座標，在同一張圖內畫出以下情況的 曲線：  k 2 / k 1 = 1 、  k 2 / k 1 = 0.1 、  k 2 / k 1 = 10 。  中需導出相關數學式並據以畫出 曲線；  與  中只需畫出曲線的相對位置即可，毋需算出數值，但須敘明原因，否 則不予計分。（ 25 分）

• 三、考慮液相反應 B A ⇔ ，其中正、逆向反應皆為一階，且系統內所有物質的比熱皆相 同。令 X = （平衡時 A 的消耗量 /A 的初始量）， H Δ 與 0 H Δ 分別為莫爾反應熱與標 準狀態下的 H Δ ， G Δ 與 0 G Δ 分別為莫爾反應自由能與標準狀態下的 G Δ 。若標準狀 態下的溫度為 T 0 ，求 X 隨溫度 T 的變化。（ 25 分）

• 四、某一液相反應 C B A → → 需由光催化之，請回答下列問題：

•  下述二種方式何者可得到較多的 B ：  反應在批次反應器（ batch reactor ）內進行， 光均勻地照射其內的物質；  連續地將少量物質輸送至反應器外，照射光後再送 回反應器內。須敘明原因，否則不予計分。（ 5 分）

•  若 B A → 與 C B → 皆為一階反應，反應速率常數相同，開始時反應器內只有 A 。 求前述情況  中 B 的濃度隨時間的變化。（ 20 分）

代號 ： 01530 全一頁

座號：

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 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、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）

反應器

1

反應器

2

空氣

100 mol/s

甲醇

圖一

• 二、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）

• 三、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：

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 (c 0 ) 0.5 g/l 的溶液，流量 (Q0 ) 為 0.001 m 3 /s 需要濃縮到 (c 1 ) = 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 c 1 ）（ 10 分）

cc

c1Q1

c0Q0

QP = J A

圖二

•  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）

座號：

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 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

• 四、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）

103 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、  請說明「清潔生產」的意義為何。（ 5 分）

•  請分別就「製程方面」、「產品方面」及「服務方面」說明「清潔生產」的意義。 （ 15 分）

• 二、  請說明活性碳有那些用途。（ 12 分）

•  試詳述製造活性碳的兩個主要步驟。（ 4 分）

• 三、  以「氨氧化法」製造硝酸之三個主要步驟為何？（ 6 分）

•  請說明上述三個步驟。（ 9 分）

•  此方法使用何種觸媒？（ 2 分）

• 四、關於乙烯，工業上有三種主要之製備方法：

•  此三種方法名稱各為何？（ 6 分）

•  此三種方法各使用何種原料？（ 6 分）

• 五、  環氧樹脂，一般是以環氧氯丙烷（ epichlorohydrin ）及丙二酚（雙酚 A ） （ bisphenol A ）為起始原料製造，寫出以此二化合物為起始原料製造環氧樹脂之 化學反應方程式。（ 10 分）

•  寫出環氧樹脂的特性與應用。（ 9 分）

六、有關 LED 白光照明：

•  目前此類產品主要係使用 LED 晶片及螢光粉並以樹脂封裝製成，試述 LED 晶片、 螢光粉及樹脂之功能各為何？（ 6 分）

•  目前市售 LED 白光照明燈具仍有那些主要缺點或有待改進之處？（ 6 分）

•  針對上述缺點，提出如何改進之方法。（ 4 分）

座號：

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 代號 ： 01560 全一張 （正面）

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、使用直接代入法（ direct substitution method ）計算以下系統之終極增益（ ultimate gain ）及終極週期（ ultimate period ），其中 GYM 代表程序傳遞函數（ transfer function ）， GV 代表控制閥傳遞函數， GS 代表量測器傳遞函數。（ 14 分）

二、下列為實用之 PD 控制器轉換函數（ transfer function ）：

 證明下列圖一之平行簡易轉換函數組合可以推導出上述控制器之轉換函數。（ 8 分）

)

圖一

E

(

s

)

P'

(

s

K

2

1

1

1

s

K

τ

•  求出 K 1 、 K 2 、 τ 1 與上式 K C 、 τ D 、 α 的關係。（ 8 分）

•  求出 K C = 6 ， τ D = 4 ， α = 0.2 的狀況下之 K 1 、 K 2 、 τ 1 。（ 4 分）

三、考慮下列轉換函數及下列圖二之控制架構：

求取下列圖二中之前饋、回饋（ PID ）兩控制器之前饋控制器轉換函數 （ ) ( ) ( ) ( s G s G s G P D f = -）及回饋控制器之參數（下列 Ziegler-Nichols 調諧公式 K 、 τ 及 D

圖二

Gf

(

s

)

Tout

(

s

)

Q

(

s

)

PID

TT

TT

Tin

(

s

)

分別為製程之 gain 、 time constant 及 dead time ： KD KC τ 1.2 = ； / 0.5 D I = τ ； D D 0.5 = τ ）。（ 20 分）

座號：

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 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、有一氨氣去除塔，當去除水量改變一個單位時，排出氨氣隨時間改變量如下列 圖三，試回答下列問題：

•  假設我們要應用一階帶時延模式（ First Order Plus Time Delay ）來決定恰當的 PI 控制器，則模式中的 gain 、 time constant 及 dead time 分別是多少？（ 8 分）

• PI  的參數是多少？（參考下列公式）（ 8 分）

0

100

200

300

Time(s)

49.5

50

50.5

51

51.5

52

NH3 in Outlet Air (ppm)

• 五、假設下列圖四閉迴路系統 R ( s ) = 1/ s ，試求： C ( t ) 到達最大值的時間和最大值、本系 統的穩態誤差（ offset ）及本系統的振盪週期（ period of oscillation ）。（ 12 分）

)

1)

1)(2

(

5

s

s

KC

= 1.6

C

(

s

R

(

s

)

六、考慮下列圖五閉迴路系統： τ = 1 min ；

•  如果 τ D = 0 ，求 KC 使得閉迴路系統中的阻尼係數（ damping factor ）為 0.7 。 （ 5 分）

•  如果 τ D = 10 sec ，求 KC 使得閉迴路系統中的阻尼係數（ damping factor ）為 0.7 。 （ 5 分）

•  比較  兩者在負載（ load ）為 1 時之穩態誤差（ offset ）。（ 4 分）  求  兩者之時間常數（ time constant ）。（ 4 分）

)

C

(

s

R

(

s

)

)

(1

s

τ

K

D

C

2

1)

(

5

s

τ