代號：

01510

頁次：

3 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

一、有一流體在圓管中流動，如圖一所示。請說明或推導如下：

•  何謂冪次定律流體（ power law fluid ） ，請繪出其剪應力（ shear stress, τ ）和速度梯度（ velocity gradient ）的關係，並說明流體的流動行為指 數（ flow behavior index, n ）對關係曲線的影響。 （ 5 分）

•  今有一水平圓管，管內的流體為牛頓流體（ Newtonian fluid ） ，流動形 式為層流 （ laminar flow ） 且呈穩定狀態 （ steady-state ） 。 請寫出 Newtonian fluid 的數學模式（含剪應力、速度梯度和常數等） ，並推導證明流體流 動的速度分布方程式（ equation of velocity distribution ） ：

式中： r 為半徑方向位置； R 為圓管之半徑； U 為在 r 位置的流速； UMax 為流體的最大流速（ maximum velocity ） 。 （ 10 分）

•  承本題  ，試推導流體平均流速（ average velocity ）與最大流速的關 係？（ 5 分）

座號：

• 二、比重 0.8 ，黏度（ viscosity ）為 0.02 Pa‧s 之某流體，水平流經內部直徑 （ inner diameter ） 200 mm 之鋼管，體積流率 （ volume flow rate ） 為 85 m 3 /h ， 鋼管長度為 150 m ；管內部之摩擦因子（ friction factor ）為 0.001 。求流 體在此系統的雷諾數（ Reynold No. ） NRe 以及每公尺管長的壓力降 （ pressure drop ）為多少 Pa ？（ 15 分）

註：管子的壓降和摩擦係數（ (ΔP / ρ) = (4 f U 2 L) / (2gc D)

friction factor ） ，關係如下：

ΔP 為壓力降； D 為管徑； f 為摩擦因子； ρ 為流體密度； U 為流體 平均流速； L 為管長。

• 三、為促進化工裝置的熱傳速率（ heat transfer rate ） ，經常在裝置 （ equipment ） 上加翅片（ fin ）以加強散熱效果。此類翅片用於增加傳熱面積，可改善 使裝置上的金屬壁和導熱性差的流體（如空氣）之間的熱傳。圖二為裝 置結構中的平板面，加了一均勻直徑的圓桿狀翅片。已知圓桿底部沒有 熱量損失，且呈穩定的熱傳狀態。平板面溫度 Ts ，周圍環境溫度 T  ，圓 桿的長度為 L ，熱傳導度（ thermal conductivity ）為 k ，對流熱傳係數 （ convection heat-transfer coefficient ）為 h ， x 為與金屬平面板附著處為起 始點的圓桿位置。

•  請推導出 T(x) 的溫度分布方程式。 （ 20 分）

•  由翅片傳送至流體的熱流率。 （ 10 分）

圖二

• 四、工業程序中同時伴有非均勻化學反應（ heterogeneous chemical reaction ）及 擴散質量輸送（ diffusion mass transport ）之實例甚多。今有一球形煤粒， 其半徑為 R ，靜置於空氣中， O2 擴散至球粒表面，發生下反應（圖三） ：

假設 CO 和 O2 在氣膜中不起化學反應，擴散僅在 r 方向發生，且此系統的 質量傳送 （ mass transfer ） 呈穩定狀態 。 空氣中 O2 之莫耳分率 （ molar fraction ） 為 21 % 。試導出 O2 之莫耳流率（ molar flow rate ） （ WO2 ） 。 （ 20 分）

No2,r

Nco,r

• 五、廠房內的空氣溫度為 30 ℃ ，壓力為 101.3 KPa ，含有水蒸汽的分壓 （ partial pressure ）為 12.54 KPa 。若 30 ℃ 下水的飽和蒸汽壓（ saturated vapor pressure ）為 20.52 KPa ，請計算該廠房的飽和濕度（ saturation humidity, Hs ）和百分比濕度（ percentage humidity, Hp ） 。 （ 15 分）

代號：

01520

頁次：

1 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、請說明半導體的定義，並畫出能階（ energy level ）圖來說明何謂能隙 （ energy gap, Eg ） 。一般半導體能隙大小介於多少電子伏特之間？試說明 半導體材料用於太陽能電池之發電原理？半導體之能隙大小與太陽能 電池之光電轉換效率有何關係？單晶矽、多晶矽及非晶矽三種矽基半導 體何者最適合用於製造可撓式太陽能電池？何者光電轉換效率最高？ （ 26 分）

• 二、工業上及實驗室以液相聚合方式製造自由基反應聚合體時，最常使用那四 種聚合反應方法？請分別說明並比較各種聚合反應法的優缺點。 （ 24 分）

• 三、請舉出三種電子陶瓷的特性及列舉其三種應用性。另外，請說明結構陶 瓷的特性，並列舉兩種常見的結構陶瓷。 （ 20 分）

• 四、請說明煉油工業中使用加氫脫硫法之目的及處理方式。另外，如何由石 油中獲得芳香烴，芳香烴類之主要產品有那些？（ 20 分）

• 五、請說明煉鋼過程中主要產生的化學反應有那些？碳鋼依其含碳量高低 可分成那三類？其含碳量高低對鋼材性質有何影響？（ 10 分）

座號：

代號：

01530

頁次：

2 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、某一製藥反應工程師進行一實驗，確定其反應式 A  R ， CA0 為 10 mol/m 3 ， 但不知其為幾級反應，僅知道該反應可能為零級、一級或二級反應，且 其原料 A 濃度半衰期為 5 小時。另進行實驗，知反應時間需大於 25 小 時，為其反應之轉化率可達 90% 。

•  求解該反應為幾級反應。需有演算過程，若無演算過程，不予計分。 （ 10 分）

•  求解該反應之反應速率常數？（ 10 分）

•  說明當反應級數增加時，要達反應之轉化率為 90% 所需時間變化狀況。 需有說明推論之理由。 （ 5 分）

• 二、在某石油精煉工廠中，某一工程師生產化學材料 P ，其原料為 A ， CA0 為 50 mol/m 3 。該反應反應式已知為 A  P ，經文獻查知該反應速率常數為 0.5 (mol/m 3 ) -1 h -1 ，其溫度為 150 o C ，在 150 o C 至 450 o C 時此反應活化能 為 20000 J/mol 。

•  請導出 CA 與 CA0 、 k 、 t 的關係式。 （ 5 分）

•  該反應需反應多少時間，原料 A 轉化率可達 70% 。 （ 10 分）

•  當該反應溫度升高至 450 o C 時，需反應多少時間，原料 A 轉化率可達 70% 。 （ 10 分）

座號：

• 三、在某一穩態混合流動反應器（ steady state mixed flow reactor ）中，其反應 式為 A+3S ⇄ P ，正向反應反應速率常數 k1 為 30(mol/liter) -3 min -1 ，逆向 反應反應速率常數 k2 為 20 min -1 ，正向反應為四級反應（ A 為一級反應， S 為三級反應） ，逆向反應為一級反應。反應器體積為 10 公升， A 原料在 原料桶中濃度為 6 mol/liter ， S 原料在原料桶中濃度為 12 mol/liter 。 A 與 S 在管路中混合均勻後同時加入反應器， A 與 S 在管路中體積流速比為 1 ： 2 。某化工工廠設定原料 A 之轉化率要達到 90% 。在反應開始時，反 應器中 P 濃度為 0 。

•  A 之反應速度為多少？單位請以 mol/(min*liter) 作答。 （ 10 分）

•  A 之體積流速需達多少？單位請以 liter/min 作答。 （ 10 分）

•  S 之體積流速需達多少？單位請以 liter/min 作答。 （ 10 分）

• 四、在一等溫定壓氣相反應中，以一穩流反應器進行反應。該反應為 A+4B  8R 。 注入反應器之 A 氣體與 B 氣體濃度分別為 100 mol/liter 及 450 mol/liter ，注 入反應器之氣體中另含有惰性氣體（不參與反應） ，其濃度為 100 mol/liter 。 R 亦為氣體，並同時注入反應器中，其濃度為 150 mol/liter 。當反應進行 一段時間後，於出口處 A 之轉化率為 70% ：

•  於出口 A 之濃度為多少？單位請以 mol/liter 作答。 （ 10 分）

•  於出口 B 之濃度為多少？單位請以 mol/liter 作答。 （ 10 分）

代號：

01540

頁次：

3 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、液體通過控制閥的流量為每分鐘 450 加侖（ gpm ） 。在此流量下，管線中 的摩擦壓降為每平方英寸 15 磅（ psi ） 。閥門和管線的總壓降為每平方英 寸 20 磅（ psi ） ，不受流量影響，且液體的比重為 = 0.85 。

valve characteristic equation ）

•  設定為 100% 的過量容量下的閥門尺寸（ = 0.5 ） 。 （ 7 分）

•  計算當閥門全開時的流量。 （ 6 分）

•  獲取閥門的可調範圍能力。 （ 7 分）

• 二、請推導以下使用零階保持（ zero-order hold ）和取樣時間為 1 的物件之脈 衝傳遞函數（ pulse transfer function ） 。

座號：

三、考慮下列傳遞方程式的過程：

如果比例積分控制器（ PI controller ）使用齊格勒 -尼科爾斯方法（ ZieglerNichols method ）進行設定，請分別計算會得到多少增益邊限（ gain margin ）和相位邊限（ phase margin ） 。 （ 12 分）

= 3.37 ； = 3.53 / ； = 1.78

• 四、反應器溫度控制器級聯（ cascade ）到冷卻劑流量控制器如圖一所示。控 制閥為線性且具有恆定的壓降並將最大流量調整為 500 gpm ，其時間常 數為 0.2 分鐘。流量傳感器（ FT ）的範圍為 0 到 500 gpm ，幾乎沒有時 間常數。流量控制器（ FC ）為比例積分控制器，增益為 1.0 %CO/%TO ， 積分時間設定等於閥門的時間常數。反應器溫度對冷卻劑流量的傳遞函 數為一階，其增益為 -2 °F/gpm ，時間常數為 5.0 分鐘。溫度傳感器（ TT ） 的範圍為 160 到 200 °F ，時間常數為 0.5 分鐘。

•  繪製級聯控制回路的方塊圖（ block diagram ） ，並標註每個設備的傳遞 函數。需特別注意閥門故障位置以及流量和溫度控制器的作用（正向 或反向） ，並為傳遞函數標註適當的符號。 （ 18 分）

•  計算臨界增益（ ultimate gain ）和溫度控制迴路週期。 （ 12 分）

• 五、多個流的混合過程如圖二所示。其中流 1 是純水，流 2 、 5 和 7 是水和成 分 A 的溶液。每個流的穩態（ steady-state ）值在表中可見。請決定下列 的傳遞函數（ transfer function ） ，並提供每個項目之數值。 （ 20 分）

f

3(

t

)

f

4(

t

)

f

6(

t

)

f

5(

t

)

f

1(

t

)

f

2(

t

)

f

7(

t

)

x

3(

t

)

x

4(

t

)

x

6(

t

)

x

7(

t

)

x

2(

t

)

x

5(

t

)

Pure water

圖二

•  儲存槽容積： = = = 7000

•  所有流的密度可以被認為是相似且恆定的。

•  穩態值如下表：

01550

1 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 某工程師宣稱發明一件可於穩流態（ steady-flow ）操作條件，將理想氣體 （ ideal gas ）分流之裝置。導入此裝置之理想氣體壓力和溫度為 1 atm 與 300 K ，而兩股分流後之理想氣體壓力和溫度則分別為 1 atm 與 400 K 以 及 1 atm 與 200 K 。已知 C ∗ ＝ 21 J/mol ∙ K ； R ＝ 8.314 J/mol ∙ K 。倘若所分流 流體流量均等，且裝置操作時無須額外加熱或作功，請問此一裝置是否 存在？（ 25 分）

• 某頭牛於常溫（ 25 ⁰C ） 、常壓（ 1 atm ）環境打嗝，已知牛胃內之溫度與 壓力分別為 38 ⁰C 與 1.2 atm ，且打嗝之氣體可視為凡德瓦氣體（ P = -） ，其中， a 與 b 皆為常數。請估算打嗝過程所需提供之焓 （ enthalpy ）？（ 25 分）

• 由 A 、 B 兩成分所組成之液相混合物， 與 分別為成分 A 與成分 B 之 莫爾分率（ mole fraction ） ，已知於定溫、定壓環境，成分 A 之活性係數 （ activity coefficient ）可表達為 = ( + ) ，其中， a 與 b 皆為 常數。

•  請推導成分 B 之活性係數為何？（ 15

• 分）

•  請問以 表示此混合溶液之超額莫耳吉布斯自由能（ excess molar Gibbs free energy ）之展開方程式為何？（ 10 分）

• 碘之三相點（ triple point ）發生於 112.9 °C 、 11.57 kPa ，已知固態碘於三 相點之熔化熱（ heat of fusion ）為 15.27 kJ/mol ，且於各溫度環境之蒸氣 壓如下：

蒸氣壓（ kPa ） 2.67 5.33 8.00

溫度（ °C ） 84.7 97.5 105.4

請問碘之大氣沸點（ normal boiling point ）為何？（ 25 分）

座號：

01560

2 － 1

112 年專門職業及技術人員高等考試建築師、 25 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

※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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、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）

座號：

二、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；

• ⑵ CSTR 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）