01510

107 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、有關通過沉浸物體（ immersed objects ）的流體，請說明或計算下列問題：

•  何謂史托克定律（ Stoke's Law ），其適用的範圍為何？（ 5 分）

•  若沉降的粒子為球型體，在史托克定律之適用範圍，請導出拖曳阻力 係數（ drag coefficient ） CD 和粒子在流體中 NRe,P （雷諾 (Reynold) 數） 的關係？（ 5 分）

•  有一填充床，直徑為 0.5 m ，固體粒子填充於其間，床的孔隙度 （ porosity ）為 0.4 。流體通過的流率為 0.25 m 3 /sec ，求其孔隙間平均 速度。 （ 10 分）

• 二、有一內含 A 和 B 二成分之系統，在室溫下， A 和 B 的蒸氣和液體呈現 平衡狀態。 A 和 B 的相對揮發度（ relative volatility ）為 α AB ，請回答下 列問題：

•  解釋 α AB 的定義。請以系統中 A 和 B 二成分的分壓（ partial pressure ） PA 和 PB 以及組合物的莫耳分率（ molar fraction ）表示。 x 和 y 分別為 液相和汽相的莫耳分率。 （ 5 分）

•  請由相對揮發度的定義，推導出 α AB 和組合物莫耳分率（ xA, xB, y A, yB ） 的數學關係式。 （ 5 分）

•  假設在 92 ℃下， A 與 B 之飽和蒸氣壓為 1180 mmHg 與 480 mmHg ， 請計算在一大氣壓以及 92 ℃下達平衡時， A 成分於混合液與混合蒸氣 中的莫耳分率各為何？（ 10 分）

• 三、含有無水硫酸鈉（ Na2SO4 ） 500 kg 之飽和溶液 2000 kg ，在冷卻至 5 ℃之過 程中，水因蒸發而損失水總重的 5% ，而其結晶產物為 Na2SO4 ‧ 10H2O 。假設 結晶終結時晶體與母液已達平衡，而其母液之飽和濃度為 8% 無水 Na2SO4 ，以及 92% 水（亦即其溶解度為 8% ） 。試問此結晶之理論產量為多 少 kg ？ （註： Na2SO4 和 Na2SO4 ‧ 10H2O 之分子量分別為 142 與 322 g/mole ） （ 10 分）

座號：

• 四、外半徑（ outside radius ）為 r 2 的圓管型長蒸汽管，其表面覆蓋有外半徑 為 r 3 的隔熱材料。蒸汽管管外表面的溫度 T2 和周圍空氣的溫度 T ∞ ，皆 保持為恆定值。絕緣外表面每單位面積的能量損失可由牛頓冷卻速率方 程式（ Newton rate equation ）描述，

能量損失會隨著絕緣厚度的增加而增加嗎？請推導在什麼條件下會出 現這種情況（即找到絕緣材料的臨界半徑 r c ）？

註： k 為熱傳導係數； L 為管長；在圓管中熱傳導（ conduction ）的熱阻 （ thermal resistance ）為 R ， R = ln(r2/r 1 ) / (2 π kL) 。 （ 20 分）

• 五、有一液 -氣反應系統（ liquid-gas reaction system ） ，氣體 A 擴散入液體 B ， 進行化學反應。系統中，液體 B 置於容器內， A 氣體於液體 B 上方；氣 體 A 溶解在液體 B 中，並等溫地擴散到液相 B 。當 A 擴散時，也經歷 不可逆的一級均相反應， A + B → AB （反應速率以 dCA / dt = -kCA 表示。 CA 為 A 的濃度； t 為時間； k 為一級反應速率常數） 。液體深度以 z 表示： 在液體表面的 z 為 0 ；容器底部之 z = L 。假設液體表面的 A 濃度保持在 CA0 的固定值，溶解反應非常迅速，在容器底部只有非常少量的 A 。 DAB 為 A 對 B 的擴散係數（ diffusivity ） 。

•  請由基本的質量平衡，建立濃度和位置的微分方程式（含 CA 、 k 、 DAB 和 z 等） ，並寫出系統的邊界條件（ boundary conditions ） 。 （ 15 分）  試求解出液相中組成 A 的濃度分布（濃度分布方程式） 。 （ 15 分）

01520

107 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。

•  本科目得以本國文字或英文作答。

• 一、某工廠中有一股物料，流量為 1000 kg/hr ，比熱為 1 kJ/kg ． K ，擬利用一 熱交換器，透過冷凝一大氣壓 100 ℃飽和蒸汽，將此股物料從 50 ℃加熱 到 80 ℃ 。假設此飽和蒸汽可以全部冷凝為飽和水，其潛熱為 2256 kJ/kg ， 熱交換過程可視為絕熱。請問： （每小題 5 分，共 30 分）

•  物料吸收的熱量是多少？

•  需要多少蒸汽？

•  物料的熵增加多少？

•  蒸汽冷凝的熵減少多少？

•  工廠環境的熵變化為何？

•  宇宙的熵變化為何？

二、凡得瓦方程式表示如下：

請計算： （每小題 5 分，共 20 分）

•  臨界體積 Vc 與參數 a, b 的關係。

•  臨界溫度 Tc 與參數 a, b 的關係。

•  臨界體積 Pc 與參數 a, b 的關係。

•  某物質的臨界溫度為 Tc=5 K ，臨界壓力為 Pc=227 kPa 。求此物質凡得 瓦方程式參數 a, b 。

座號：

在臨界點

反應平衡後測量氣體密度為 1.61 g/L ；如果此反應在 298 K 之下進行， 反應平衡後之氣體密度為 1.89 g/L 。假設理想氣體在 1 大氣壓， 273 K 的 體積是 22.4 L/mol ；請問： （每小題 5 分，共 30 分）

•  273 K 反應後氣體中 CO 的重量分率？

•  273 K 反應後 CO 的莫耳分率？

•  273 K 反應平衡常數是多少？

•  273 K 反應吉伯氏自由能是多少？

•  298 K 反應平衡常數大於 1 還是小於 1 ？

•  反應是吸熱還是放熱？

• 四、有一雙成份系統 A+B 在 1 大氣壓的泡點（ bubble point ）及飽和氣液相 組成數據如下：

• 請問： （每小題 5 分，共 20 分）

•  A 的沸點是多少？

•  B 的沸點是多少？

•  此一系統共沸點是多少？

•  A 與 B 分子是相排斥還是相吸引？

01530

107 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。

•  本科目得以本國文字或英文作答。

• 一、某化工廠進行 A+B → C 反應生產產物 C ，反應採用半批式（ semi-batch ）操 作方式進行，將 A 化合物由外部桶槽慢慢加入已經裝有 B 化合物的批式反 應容器中，假設 A 化合物以 0.03 mol/dm 3 的濃度，以及 0.04 dm 3 /s 的流速 進入反應器中。反應器內 B 化合物濃度為 0.06 mol/dm 3 ，起始體積為 6 dm 3 。 已知此反應對 A 和 B 皆為一級反應，反應速率常數為 k = 2.0 dm 3 /s ． mol 。

•  請列出 A 、 B 、 C 三種成分質量平衡式，並推導 A 、 B 、 C 三種成分濃 度隨時間變化的微分方程式。 （ 12 分） （附註：  莫耳流量以 F 表示， 莫耳數以 N 表示。  不需解微分方程式。）

•  說明 A 、 B 、 C 三種成分濃度及反應速率隨時間變化的情況並解釋升 高和降低的原因。（ 8 分）

• 二、化學工程師甲設計填充床反應器進行不可逆氣體化學反應 A → B ，已知 反應級數為一級且進口壓力為 20 大氣壓，假設甲工程師忽略考慮壓力 降落（ pressure drop ）因素，計算結果：認定用 60kg 的觸媒，可以得到 80% 轉化率。事實上，此填充床反應器操作時存在壓力降落現象，壓力 降落與填充觸媒量的關係方程式如下： dP / dW = - 0.2 atm / kg 。

•  請問此反應器操作時，真正得到的轉化率是多少？（ 12 分）

•  如果固定觸媒的使用量為 60 kg ，將填充床反應器改為流體化床反應 器，請問可以達到的轉化率是多少？（ 8 分）

• 三、使用非均相固態觸媒進行催化反應前，化學工程師必須先測得反應速率 常數（ reaction rate constant ） ，此參數測定通常不使用填充床反應器，而 是改用微分反應器（ differential reactor ）進行。

•  請說明原因為何？（ 4 分）

•  解釋微分反應器構造與特性。 （ 4 分）

座號：

• 四、針對某一個氣體分解化學反應 A → B+C ，化學工程師乙利用固定體積的 批式反應器進行實驗，測量反應過程中壓力變化值（ Δ P ）隨著時間增加 的情況 （數據如下） ，已知起始的壓力為 48.4 kPA ，而且反應級數為二級。

•  請推導壓力隨時間變化關係方程式。 （ 6 分）

•  請由下列數據求出化學反應速率常數。 （ 14 分）

• 五、下列並行複反應，三種生成物 C 、 D 、 E 中，只有成分 D 是有用的產物 （ desired product ） ，其他 C 和 E 成分都是無用的副產物。

請由選擇率 S （ selectivity ）觀點，說明想要提高目標產物 D 生成的反應 操作策略，其中反應操作策略包括：

•  溫度選擇（高溫或低溫） 。 （ 4 分）

•  反應器種類選擇 [ 連續攪拌槽式反應器（ continuous stirred tank reactor ， CSTR ）或塞流式反應器（ plug flow reactor ， PFR ） ] 。 （ 4 分）  最佳半批式操作方式（ semi-batch operating modes ） 。 （ 4 分）

• 六、化學工程師丙準備設計一個非恆溫狀態下操作的批式反應器（ batch 的液態化學反應，計算達到特定轉化率所需要 的時間。此反應將在絕熱狀態下操作，丙目前只確定反應進行起始溫度

• reactor ），進行 A+B → C （ T0 ）和最終轉化率（ X ），其他的條件完全缺乏。

•  請列出進行此一絕熱狀態批式反應器的設計，丙需要的動力學和熱力 12

• 學計算方程式，以及所需動力學參數和熱力學參數。（ 分）  請說明計算的方法或步驟。（ 8 分）

01540

107 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、某一製程單元之受控變數為 y(t)(%) ，其設定點在時間為 0 時，由原來的 穩態值 50% 改變為 60% ，若其控制器分別採用比例、比例 -積分、比例 -積分 -微分控制器作閉環控制，並且均已採用 Ziegler-Nichols 法做控制器 參數調諧，此三個控制器所得之閉環響應結果如圖中之 a 、 b 、 c 所示。 試問圖中的 a 、 b 、 c 響應圖，分別是採用什麼控制器的結果？請扼要寫 出你的判斷依據。 （ 15 分）

• 二、圖為一個典型的閉環路控制系統，其中， Gc(s)= Kc(%CO/%TO) 、 Gv(s)=2((kg/s)/%CO)/(5s+1) 、 Gp(s)=1( ℃ / ( k g / s ) ) / ( 2 0 s + 1 ) 、 Gs(s)=0.5(%TO/ ℃ )/(5s+1) ，所有時間單位均為分鐘。若要維持此一閉環 系統於穩定狀態，試問最大容許之 Kc 值為何？（ %CO 及 %TO 分別代表 Controller Output 及 Transmitter Output ） （ 20 分）

座號：

• 三、一反應器內之壓力量測儀，量測所得之壓力 P ' (psig) 與實際壓力 P(psig) 間之 動態關係，可以用如下之一階常微分方程式表示： 2 dP ' (t)/dt + P ' (t) = P(t) ， 其中時間及壓力的單位分別是分鐘（ minute ）及 psig 。當量測所得之壓 力大於或等於 100 psig 時，安全控制系統會發出壓力偏高的警報，以提 醒工程師注意反應器製程可能發生異常狀況並作必要之因應措施。假設 反應器內之實際壓力與測量壓力原本均維持在安全範圍之內的 80 psig ， 某一天早上 10 點整時，反應器內的實際壓力突然由 80 psig 迅速升高為 120 psig 並且維持此一壓力不變，試問反應器內壓力偏高的警報在什麼 時候（幾點幾分）會響起？（ 20 分）

（註： ln(2) ൎ 0.69, ln(3) ൎ 1.10, ln(4) ൎ 1.39, ln(5) ൎ 1.61 ）

• 四、圖為一混合槽，使用純水將 60% （重量百分比，以下同）的氫氧化鈉稀 釋至 40% 。其中， 40% 氫氧化鈉的需求量為每小時 1,000 公斤。試問純 水及 60% 氫氧化鈉的流量分別為何？請為此混合槽設計一套控制系 統，包括 40% 氫氧化鈉之流量控制、 60% 氫氧化鈉與水之流量控制與其 間之比例控制、混合槽液位控制等。 （ 20 分）

• 五、圖為一簡易蒸發罐，此蒸發罐使用蒸氣加熱某水溶液，並將其中之部分 水蒸發以提高其濃度，此圖中已標示出蒸發罐內液位 （ LT ） 及壓力 （ PT ） 、 進料流量（ FT ） 、提濃後之水溶液組成（ AT ） 、蒸氣流量（ FT ）等重要 操作變數之量測儀器裝設位置。

•  請參考圖中蒸發罐進料流量控制環路之簡易標示方法，為此蒸發罐設 計並繪出壓力控制、液位控制、輸出組成控制以及蒸氣流量控制環 路，其中輸出組成控制器應以串級控制方式控制加熱用蒸氣流量，並 請自行選定控制閥之合理裝設位置。 （ 10 分）

•  你所選用的各個控制閥應該選用 Air to Open （ ATO ）還是 Air to Close （ ATC ）？為什麼？（ 5 分）

•  你所選用的各個控制器應選用 Direct Action 還是 Reverse Action ？為什 麼？（ 5 分）

•  經過一段時間的操作之後，工程師發現此一蒸發罐的進料組成時常發 生變動，明顯影響了輸出的組成穩定度。既然有水溶液組成量測儀器 （ AT ） ，請你為此一蒸發罐設計一套前饋控制系統並繪出其示意圖。 此一前饋控制系統能否與既存的輸出組成回饋控制系統搭配同時使 用？若能搭配使用，有什麼好處？（ 5 分）

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107 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。

•  本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。

• 一、 PA, PC, PET, PPO, POM 為五種工程塑膠。請回答下列問題：

•  分別寫出上述五種工程塑膠的化學式。（ 10 分）

•  分別寫出製造上述五種工程塑膠的化學反應方程式。（ 15 分）

• 二、高吸水性樹脂的用途之一為個人衛生用品，如嬰兒尿布和衛生棉。請回 答下列問題：

•  何謂高吸水性樹脂？（ 2 分）

•  高吸水性樹脂的吸水原理為何？（ 6 分）

•  舉出三種影響高吸水性樹脂吸水率的因素，並分別敘述這些因素如何 影響樹脂的吸水率。（ 6 分）

 除了個人衛生用品以外，請舉出三種其它高吸水性樹脂的用途。（ 6 分）

• 三、工業上一種將甲烷裂解產製乙炔的流程，其操作條件：原料在高於 980 ℃ 下反應千分之幾秒後，急速冷卻至 310 ℃ 以下得到產物乙炔。試就熱力 學和動力學的觀點，敘述為何設定如此的操作條件。（ 10 分）

• 四、鋼鐵的冶煉，包含煉鐵和煉鋼兩個製程。請回答下列問題：

•  碳鋼和鑄鐵的含碳量差異為何？（ 4 分）

•  何謂肥粒鐵（ ferrite ） 、沃斯田鐵（ austenite ） 、波來鐵（ pearlite ）和雪 明碳鐵（ cementite ）？（ 8 分）

•  在煉鐵製程中會加入石膏，其目的為何？（ 2 分）

•  敘述煉鐵製程並寫出所涉及的化學反應式。（ 8 分）

•  敘述煉鋼製程。（ 3 分）

座號：

五、頁岩氣為一種新能源資源。有關頁岩氣，請回答下列問題：

•  何謂頁岩氣？頁岩氣的主要成分為何？（ 4 分）

•  頁岩氣開發應用了兩項技術：水平鑽井（ horizontal drilling ）與水力壓裂 （ hydraulic fracturing ） ，使之能夠量產。何謂水平鑽井技術？何謂水力 壓裂技術？並敘述這兩項技術為何能提升頁岩氣的產量？（ 8 分）

•  頁岩氣開發對於能源供需、價格和環境的影響為何？請敘述之。（ 8 分）

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107 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

※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。

•  本科目得以本國文字或英文作答。

• 一、一蒸餾塔的進料中含有 20% （莫爾分率）的丙烷、 20% （莫爾分率）的 異丁烷、 20% （莫爾分率）的異戊烷和 40% （莫爾分率）的正戊烷的混 合物，若塔頂的出料中含有 50% （莫爾分率）的丙烷、 44% （莫爾分率） 的異丁烷和 5% （莫爾分率）的正戊烷，塔底的出料中含有 1% （莫爾分 率）的丙烷，假設進料流量為每小時 100 莫爾，計算進料和出料中各成 份的流量為每小時多少莫爾？（ 25 分）

• 二、絕對壓力為 2 atm 溫度為 20.0 ℃的空氣以每秒 15 公尺的速度進入一加熱 管，當其離開加熱管時的壓力為 1.6 atm 溫度為 90.0 ℃，假設此加熱管 的入口直徑為 5.0 公分，出口直徑為 7.0 公分，請計算空氣的出口流速 為每秒多少公尺？（ 25 分）

• 三、在一逆流式熱交換管（ counter current heat exchange tube ）中，管內流體 的溫度由 120 ℃被冷卻降至 30 ℃，管外流體的溫度由 20 ℃升溫至 60 ℃， 若此同一根熱交換管改為並流式操作（ parallel current ） ，則管內流體的 溫度將降至多少℃？管外流體的溫度將升至多少℃？（ 25 分）

• 四、某一製程其硬體購入的總金額為新臺幣 300 萬元，折舊年限為 10 年，若 10 年後的剩餘價格為新臺幣 50 萬元，試以直線法（ Straight line method ） 和定率法（ Fixed percentage method ）計算此製程使用 5 年後的資產金額 為多少新臺幣？（ 25 分）

座號：