化學程序工業　申論題歷屆試題與參考架構

113 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   請說明火災依其燃燒物質之不同可大致區分為那四類，並說明其引起燃燒之物質為何？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   火災依燃燒物質分類，是為了決定滅火方式與滅火劑；作答先列四類，再逐類說明代表性燃料與適用滅火原則。

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2. 2

   請說明半導體元件製作中之微影（photolithography）定義及微影製程主要包括之步驟。（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   微影是把光罩上的電路圖案轉印到晶圓表面光阻上的製程，是決定線寬與解析度的關鍵；先定義，再依序列出步驟。

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3. 3

   請詳細說明半導體元件製作中蝕刻之定義與蝕刻製程中乾蝕刻及濕蝕刻使用之方法或方式。（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   蝕刻是把微影後未被光阻保護的薄膜材料移除，以完成圖案轉移；依使用介質分為濕蝕刻與乾蝕刻，答題要比較兩者原理與方式。

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4. 4

   將只含有 C6H6Cl6（290.83 g/mol）與 C14H9Cl5（354.49 g/mol）之有機混合物樣品 0.2795 g 置於石英管中，而以氧氣流燃燒之。將產物（CO2，H2O 與 HCl）通入 NaHCO3 溶液中，再予以酸化。此溶液中的氯離子可得到 0.7161 g 的 AgCl（143.22 g/mol）。請計算樣品中各鹵素化合物之百分比含量。 （20 分）

   （20 分）

5. 5

   紫外光可見光吸收光譜中的價電子躍遷，其中的價電子主要包括那三種價電子？依分子軌域理論，其價電子躍遷有那四種類型？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   紫外光可見光吸收來自分子中價電子由基態軌域躍遷到激發態軌域；先分類價電子，再依分子軌域列躍遷類型。

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6. 6

   試預測 CH2ClCH2OCH3 有幾個氫核磁共振光譜信號，若按 n+1 規則，每一吸收峰的多重峰數目及相對面積各多少？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   先畫出結構 Cl–CH2–CH2–O–CH3，找出化學環境不同的氫，再依 n+1 規則判斷分裂。

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7. 7

   一蒸餾塔每小時可分離 10000 lb 50%苯及 50%甲苯的混合物。若由塔頂冷凝器所回收的產物含有 95%苯，而由塔底回收的含有 96%的甲苯。蒸汽由塔頂進入冷凝器的速率為每小時 8000 lb。部分產物回到塔內作回流之用，其餘的由他處抽取使用。若塔頂回流的組成（V）與所抽取的產物（D）和回流（R）之組成皆相等，試求出回流量與產物的抽取量之比為何？（20 分）

   （20 分）

8. 8

   以衛星太空艙內之空氣為系統，若其在 20℃裝有 4.00 kg 之空氣（空氣內能為 8.00×105 J/kg）。由太陽輻射之能量將以熱之型式進入空氣系統內而直至其內能為 10.04×105 J/kg 為止。試求出有多少熱傳入空氣系統中？（10 分）

   （10 分）

112 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   酒精（95 wt%）欲純化為酒精（99 wt%）可採用共沸蒸餾技術，請回答下列問題：

   （一）何謂「共沸蒸餾」？（11 分）

   （二）請列舉純化酒精常使用之三種共沸劑。（9 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   一般蒸餾受限於共沸點而無法把乙醇水溶液純化到 95.6 wt% 以上，需加入第三成分（共沸劑）改變相對揮發度；答題先說原理，再列共沸劑與流程。

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2. 2

   近年來，二氧化碳合成石化產業中間物之議題逐漸受到重視，請說明下列化學反應式：

   （一）由二氧化碳合成尿素。（8 分）

   （二）由二氧化碳合成二甲基醚（Dimethyl Ether）。（12 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   二氧化碳的化學利用（CCU）是把 CO2 轉為化學品，題目要求寫出反應式並說明條件，作答要兼顧反應式與製程概念。

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3. 3

   工廠排放之廢氣處理單元，經常採用乾式集塵器去除粒狀物，以避免後續衍生大量廢水，請列舉四種常用乾式集塵器，並說明其集塵原理及適用粒徑範圍。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   乾式集塵器不使用液體，依作用力分為重力、慣性離心力、過濾與靜電等；作答以表格式列出四種設備的原理與粒徑範圍。

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4. 4

   生質柴油之第一代製程係以食用植物油作為原料，第二代製程則使用非糧食植物油作為原料，請列舉：

   （一）三種常作為原料之非糧食植物油。（8 分）

   （二）第二代製程之化學反應及操作條件（包含二種程序）。（12 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   第二代生質柴油以非糧食油脂為原料，避免與糧爭地；因這類原料常含高游離脂肪酸，製程需以酸催化酯化與鹼催化轉酯化兩段處理。

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5. 5

   芳香烴及非芳香烴之分離程序，工業上經常使用萃取蒸餾技術，請回答下列問題：

   （一）何謂「萃取蒸餾」？（11 分）

   （二）請列舉芳香烴萃取蒸餾分離常使用之三種溶劑。（9 分）

   （20 分）

108 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   據估計，全球將近九成的氨是用來生產氮肥，目前 Haber–Bosch 法仍然是氨的主要生產方法之一，試寫出其反應式，並敘述反應物之來源與製造方式。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   本題應由 Haber–Bosch 合成氨的總反應切入，再沿著氮氣與氫氣兩條原料線，說明空氣分離、製氫、淨化及合成迴路，並交代反應平衡與觸媒的意義。

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2. 2

   某公司擬至一熱帶地區投資種植棕櫚（palm） ，壓榨出棕櫚油（palm oil）之後，再加入甲醇（methanol）進行轉酯化反應（transesterification），製作成生質柴油。試寫出此一轉酯化反應式。註：假設棕櫚油主要成份為三酸甘油酯（triglyceride），其分子式如圖所示。（20 分）

   （20 分）

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3. 3

   某公司擬利用冷凍法自海水中製造淡水，其簡易流程、海水進料成分與進料量等基本資料如圖所示。假設所分離出來的碎冰本身並無鹽份，但其外層仍會沾黏少許濃鹽水，此沾黏濃鹽水之重量分率（weight fraction）b 為 0.01（亦即沾黏濃鹽水與冰合計，沾黏濃鹽水的重量分率為百分之一） ，當濃鹽水中鹽之重量分率（weight fraction）c 為 0.05 時，請問每分鐘所得之淡水量（包括其中的少許鹽份）為何？此淡水中鹽份的重量比率為何？（20 分）

   （20 分）

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4. 4

   某果汁工廠擬將含水量 80 wt%的新鮮果汁透過蒸發方式濃縮成為含水量20 wt%的濃縮果汁，為了盡量保存果汁風味，擬將部分新鮮原汁濃縮至含水量僅為 5 wt%，再參配部分新鮮原汁，調配成為最終產品，其製程及原料進料量如圖所示。試計算此一製程中每一股流之流量。（20 分）F1 =

   （20 分）

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5. 5

   如圖所示，某一製程使用一常壓（1 atm）水蒸氣將不明流量之環己烷（C6H6）由 40℃加熱至 90℃，水蒸氣溫度為 130℃，流量為 1 kg/s，熱交換後之熱水為 60℃。H2O 與環己烷之物性資料如表所示。請求出環己烷的流量。 （20 分）

   （20 分）

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106 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   硫酸之用途非常廣泛，亦可作為石化工業之觸媒，例如石油煉製之烷化反應（生成烷化油）及甲苯硝基化反應（生成二硝基甲苯）。請說明上述兩個反應之化學反應式及使用硫酸濃度（wt%）。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   本題要分成煉油烷化與甲苯二硝化兩部分；除總反應外，應指出硫酸在前者為液相酸觸媒、在後者為混酸中的脫水及產生硝鎓離子介質，並辨別新鮮酸與反應循環酸濃度。

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2. 2

   請說明合成氣（synthesis gas）之成分。並分別說明由煤(C)及甲烷(CH4)製備合成氣之化學反應式，另列出可能發生之副反應的化學反應式（包括生成二氧化碳或一氧化碳）。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   合成氣不是單一化合物，而是以 H₂、CO 為有效成分的混合氣；作答宜分煤氣化與甲烷轉化兩路，先列主反應，再以水煤氣轉化、燃燒、乾式重組及積碳反應補足副反應。

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3. 3

   請以環己烷為原料，分別說明製備己二酸（Adipic Acid）及己內醯胺（Caprolactam）之相關化學反應式。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   兩條路線的共同前段都是環己烷受控氧化形成環己醇／環己酮混合物（KA oil）；之後己二酸走深度氧化，己內醯胺則取環己酮進行肟化與 Beckmann 重排。

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4. 4

   農林植物可以轉化為酒精，作為汽車燃料之用，請分別列舉⑴含糖作物；⑵糧穀物；

   ⑶農業廢棄物三種生質酒精之原料及個別之酒精製備步驟。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   三類原料的差別在可發酵糖取得方式：含糖作物可直接取糖，糧穀物須先把澱粉液化、糖化，農業廢棄物則須先破壞木質纖維素結構再水解；共同後段都是發酵、蒸餾與脫水。

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5. 5

   某氣相製程將 SO2 轉化為 SO（如下圖所示）3 ，第一個反應器之單程轉化率（single pass conversion）為 0.75，第二個反應器之單程轉化率為 0.65。若將製程出口端氣體部分迴流至第二個反應器進口端，則 SO2 整體製程轉化率（overall conversion）可達 0.95，請計算⑴第一個反應器出口端 SO3 mole；⑵迴流量（mole）。（20 分）進料SO2 12 mole O2 10 mole N2 78 mole反應器 反應器迴流

   （20 分）

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105 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   高分子（Polymer）包含塑膠（Plastics）與橡膠（Rubber），塑膠又可分成熱塑體（Thermoplastics）與熱固體（Thermosets）兩大類。請試述此兩大類塑膠的主要性質差異，並各舉一例。 （5 分）

   （5 分）

   參考架構・破題

   判別熱塑體與熱固體的核心是分子鏈間是否形成永久三維交聯網路；此結構差異進一步決定加熱行為、成形方式、溶解性、回收性與力學表現。

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2. 2

   2015 年全臺所消耗的天然氣中，大約將近一半來自遙遠的卡達。試問在長途運輸的過程中，如何維持天然氣的低溫液態狀態？（5 分）

   （5 分）

   參考架構・破題

   長途海運並非單靠持續外加冷凍，而是先將天然氣液化，再利用高度絕熱的低溫儲槽、受控蒸發與壓力管理，使貨艙內 LNG 維持接近沸點的低溫液態。

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3. 3

   某 一 化 學 工 廠 採 用 丙 烯 氨 氧 化 法 （ propylene ammoxidation ） 製 造 丙 烯 腈（acrylonitrile），試寫出此一化學反應式。 （5 分）

   （5 分）

   參考架構・破題

   丙烯氨氧化即 Sohio 製程，將丙烯、氨與氧一次轉化為丙烯腈；得分核心是寫出正確配平的主反應，並說明氧化還原觸媒與副產物控制。

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4. 4

   某一蔗糖廠採用一組順流式 3 效蒸發裝置濃縮清淨稀甘蔗糖汁，成為大約 60%的糖漿，以利後續之強熱蒸發、結晶、分離等製糖過程。試繪出此順流式 3 效蒸發程序之製程流程圖並註明此三個蒸發罐之相對壓力大小。 （5 分）

   （5 分）

   參考架構・破題

   順流式三效蒸發的特徵，是糖汁與加熱蒸汽效間傳遞方向相同；前一效產生的二次蒸汽作為下一效熱源，而壓力與沸點逐效降低，讓低品位蒸汽仍能繼續蒸發。

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5. 5

   某能源開發單位正在推廣利用表層與深層海水間之溫差，採用有機朗肯循環（organic Rankine cycle, ORC）技術發電。假設工作流體為液態氨，試以一流程圖敘述 ORC 之操作流程，其中需敘明主要設備及其功能、工作流體之相對壓力高低及每階段流體之氣液相、表層與深層海水相對溫度高低。（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   本題是利用海洋溫差的閉式有機朗肯循環：表層暖海水提供蒸發熱，深層冷海水帶走凝結熱，氨在封閉迴路中依序經泵、蒸發器、渦輪與冷凝器完成相變與作功。

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6. 6

   為因應石化燃料價格不斷高漲的危機，某部門提議大規模種植麻風樹（Jatropha curcas）等能源作物以生產生質柴油（biodiesel）。試列出用此一方式生產生質柴油的主要步驟，其中需寫出轉酯化的反應式，並敘明所選擇的反應物及產生的副產物。 （10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   麻風樹生質柴油的主線是「種子取油與前處理→油脂轉酯化→相分離與精製」；化學核心為三酸甘油酯與低碳醇反應生成脂肪酸烷基酯，副產甘油。

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7. 7

   臺灣目前燃煤發電的比重仍然超過 40%，為降低溫室氣體的排放量，相關單位正在嘗試使用醇胺水溶液吸收法，吸收並封存燃煤發電廠鍋爐煙道氣內的二氧化碳。試繪一流程圖並述明醇胺水溶液吸收及再生單元的操作流程。答題時須註明流程圖中各股流體的相對溫度高低，並定性敘述 CO2 濃度大小。（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   醇胺捕碳是以低溫貧液在吸收塔選擇性吸收煙氣 CO₂，再以高溫汽提使富液解吸並循環使用；答題應把氣相、溶液相、熱交換與 CO₂ 壓縮封存四條物流連成閉環。

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8. 8

   假設可以用理想液體混合原則摻配汽油原料並計算摻配所得汽油之辛烷值（註：此一假設與實務未必完全符合） 。某一大型汽油儲槽，原有 30 公秉辛烷值 80 的油品，現以每分鐘 500 公升的速率加入辛烷值 116 的甲基第三丁基醚（MTBE）並完全混合，試問多久之後此一儲油槽內之汽油的辛烷值可以達到 92？此時儲油槽內之汽油有多少公升？（10 分）全一張（背面）等 別：三等考試

   （10 分）

   參考架構・破題

   本題是無流出、完全混合之批次摻配問題；依題示採理想液體線性混合，以各油品體積乘辛烷值作加權平均，即可同時求加入時間與最終體積。

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9. 9

   某人使用天然氣熱水器，將 100 公升原水溫度為 10℃的冷水加熱至 40℃。假設此天然氣熱水器之熱效率為 75%，一立方米天然氣之熱值為 10,000 kcal、售價為 20 元，試問所需之天然氣費用為何？（15 分）

   （15 分）

   參考架構・破題

   先由水的顯熱求有效熱需求，再以熱效率反推燃料輸入熱量，最後按天然氣熱值換算體積與費用；關鍵是效率應置於分母。

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10. 10

    某一蒸餾塔之進料量 F 為 1000 mol/h，成分（mol%）為：30% Propane（C3）、20% Isobutane（iC4）、30% Isopentane（iC5）、20% Normal pentane（C5）；塔頂產物（Distillate, D）含括所有 C3 及四成之 iC5 進料，且 iC4 成分占 30%；塔底產物（Bottoms, B）則含括所有的 C5 進料。試先列出此問題的變數、平衡方程式、給定的已知數據或條件，接著計算此問題之自由度，最後再分別求出塔頂、塔底之流量及組成。（25 分）

    （25 分）

    參考架構・破題

    以各成分莫耳流率作未知數，可把含糊的產品組成問題化為四個成分衡算加四個分離規格；先做自由度分析確認可解，再逐股計算流量與組成。

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104 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   請試述下列名詞之意涵：（每小題 5 分，共 30 分）

   （一）懸浮微粒 PM2.5

   （二）生化需氧量（BOD）

   （三）乾餾（dry distillation）

   （四）胚胎幹細胞（embryonic stem cell）

   （五）光化學煙霧（photochemical smog）

   （六）鹽析（salting out）

   （30 分）

   參考架構・破題

   本題宜以定義、形成或作用機理、工程或環境意義三層回答；六個名詞各自成一小段，避免只做中英互譯。

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2. 2

   敘述淨化對苯二甲酸（purified terephthalic acid, PTA）製造程序。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   PTA 製程應分成對二甲苯液相氧化製得粗對苯二甲酸，以及粗品加氫精製、結晶與固液分離兩大段；高分答案要同時交代主要雜質、回收循環及安全環保控制。

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3. 3

   火力發電廠鍋爐和煉鋼廠高爐的排放尾氣，都含有氮氧化物（NO, NO2），對人體有危害，也是光化學煙霧的來源，工業上是用那種程序消除，敘述之。 （20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   工業尾氣中的 NOx 通常以脫硝程序處理，主軸應答選擇性催化還原法 SCR；再補充爐內低氮燃燒及選擇性非催化還原法 SNCR，形成源頭抑制與末端處理的完整架構。

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4. 4

   一個結晶分離程序如下圖所示，由兩個單元組成，一個蒸發罐和過濾器。進料是 5000 kg的 K2CrO4 的溶液含 25wt% K2CrO4，和回流的溶液混合進入蒸發罐，回流的溶液含36.9wt% K2CrO4，蒸發部分的水後，進入過濾器進行過濾，濾餅固體是 K2CrO4 結晶和23.4wt% K2CrO4 的溶液組成，濾餅有 92wt% 的固體，過濾後的溶液再回流和進料混合。請計算求出圖中每一條注流量（kg/hr）和蒸發罐的水蒸發量（kg/hr） 。（25 分）Feed 5000 kg/hr Filter cake 92wt% solid 25wt% K2CrO4 23.4wt% K2CrO4 solution 75wt% H2O Filter cake K2CrO4 H2O (K2CrO4 solid crystals solution and K2CrO4 solution) Crystallizer Evaporator and Filter Filtrate Recycle filter solution 36.9wt% K2CrO4

   （25 分）

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103 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   請寫出工業上三種氫氣之製造方法，每一種方法皆須寫出化學反應方程式並加以說明。（21 分）

   （21 分）

   參考架構・破題

   可選蒸汽重組、煤氣化與水電解三種具代表性的工業路線；每一法依原料、主反應、後續純化與優缺點作答，並確實配平反應式。

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2. 2

   有關燃燒與爆炸，請回答下列問題：燃燒發生的要件為何？（12 分）燃燒與爆炸有何相同處？有何相異處？（8 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   先以燃燒四面體說明發生條件，再從共同的快速放熱反應本質切入，最後用反應速率、壓力效應、傳播方式與是否受侷限比較燃燒與爆炸。

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3. 3

   含 80%正戊烷及 20%異戊烷之燃料油 100 kg，有部分不經過蒸餾塔而成支流與蒸餾塔底產物混合成所需的產品組成 90%正戊烷及 10%異戊烷，其程序流程如下圖所示，試求：產品 P 之量。（10 分）燃料油流經蒸餾塔之百分率。（10 分）D =？100%異戊烷F = 100 kg E =？ 蒸餾 80%正戊烷20%異戊烷塔G =？B =？ 100%正戊烷 P =？ 90%正戊烷10%異戊烷

   （20 分）

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4. 4

   請寫出直接氧化法製造環氧乙烷之化學反應方程式，操作條件與使用之觸媒，其可能之副反應為何，寫出其化學反應方程式。（17 分）（背面）等 別： 三等考試

   （17 分）

   參考架構・破題

   直接氧化法是乙烯與氧在銀觸媒上選擇性生成環氧乙烷；作答應同時寫主反應、固定床操作與移熱、觸媒特性，以及降低選擇性的完全氧化等副反應。

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5. 5

   將80˚F，15%NaOH 水溶液與250˚F，50%NaOH 水溶液混合配製成100˚F，20%NaOH水溶液 100 磅，試求：混合過程中需加入或移去熱量若干？（8 分）需要 15%NaOH 及 50%NaOH 水溶液各若干？（14 分）

   （22 分）

102 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   請說明下列名詞的意涵：（每小題 5 分，共 20 分）

   （一）頁岩氣（Shale gas）

   （二）物質安全資料表（Material Safety Data Sheet, MSDS）

   （三）責任照顧制度（Responsible care）

   （四）旋風分離器（Cyclone）

   （20 分）

   參考架構・破題

   四個名詞分屬能源、危害溝通、化學業自主管理與氣固分離；每項均以定義為首，再補原理、功能或限制，才能形成完整得分點。

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2. 2

   說明由生橡膠製造橡膠製品的流程和其步驟。（15 分）

   （15 分）

   參考架構・破題

   由生橡膠到製品可依原料檢驗與塑煉、配合與混煉、成形、硫化、後處理及檢驗排列；核心是先取得均勻且可加工的膠料，再以交聯固定形狀與性能。

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3. 3

   硫酸是化學工業上使用極廣的化學品，製程中常以廢酸形態排出，造成嚴重的環境污染。以資源再利用的立場，列舉廢酸回收方法並詳述其利弊。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   廢硫酸回收不能只列單一技術，應先依酸濃度、金屬鹽與有機物含量、回用品質及處理規模分類，再從直接回用、分離濃縮及分解再製三層次比較；核心是兼顧資源價值、能耗、腐蝕與二次污染。

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4. 4

   如下圖蒸餾塔，第一支蒸餾塔液體進料，含有 20 mole%乙烷，40 mole%丙烷，40 mole%丁烷，蒸餾的各成分如圖所示。當進料為 100 mole/hr，請計算 P 的莫耳流 率（mole/hr）和 A 的組成。（20 分）全一張等 別： 三等考試類 科： 化學工程

   （20 分）

   本題含圖表或公式，請對照原卷 PDF。

5. 5

   下圖所示，使用 538oC 的預熱空氣燃燒 10oC 的一氧化碳，使用 50%過量的空氣（1.5 倍的化學需氧量），假設 CO 完全燃燒成 CO2，出口產物的溫度 427oC，請計算燃燒可輸出的熱量 Q 與出口產物的組成（以百分比表示）。（空氣成分：N2 = 0.79，O2 = 0.21）（25 分）C COO , 10C 10℃ 427C 427℃ COO2 2 ?% O22 ?% 50% excess 50% xc e ssAir Air N22 ?% 538C 538℃ W=0 =0 CO + ½ O2Æ CO2 ΔH=-283 kJ/mole計算請參用下列所附的溫度（K）vs.焓（Enthalpy）資料表（單位：J/mole）。

   （25 分）

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其他等別的「化學程序工業」

• 化學程序工業（高考三級）（70 題）