114 關務特考三等 化學工程(選試英文)科別 化學程序工業（包括質能均衡） 考古題詳解

核心觀念

本題考查由煤炭製備液態燃料的間接液化路徑：

$\text{煤炭} \rightarrow \text{合成氣} \rightarrow \text{甲醇} \rightarrow \text{二甲基醚（DME）} \rightarrow \text{汽油範圍烴類}$

重點是辨認各步驟的主要反應、觸媒種類，以及反應式的化學計量。合成氣主要由一氧化碳與氫氣組成；汽油則是多種烴類的混合物，沒有單一固定分子式，因此最後一步宜以代表性烴類或總括式表示。

解題方法與反應式

一、煤炭氣化製備合成氣

煤炭以碳為主要成分，可在高溫下與氧氣及水蒸氣反應，生成以 CO、H₂ 為主的合成氣。以碳表示煤炭中的主要反應成分：

部分氧化：

$\mathrm{C + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO}$

水蒸氣氣化：

$\mathrm{C + H_2O \rightarrow CO + H_2}$

若通入氧氣較多，也會發生完全燃燒：

$\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$

生成的 CO₂ 可與碳反應形成 CO：

$\mathrm{C + CO_2 \rightarrow 2CO}$

觸媒／操作條件：​煤炭氣化主要靠高溫與氧化劑、水蒸氣供應進行，通常不以特定觸媒作為必要條件。實際煤氣化會有灰分、硫化物及其他雜質，後續需淨化，以免影響合成觸媒。

二、合成氣合成甲醇

合成氣中 CO 與 H₂ 在觸媒上反應生成甲醇：

$\mathrm{CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH}$

合成氣中的 CO₂ 也可氫化生成甲醇：

$\mathrm{CO_2 + 3H_2 \rightleftharpoons CH_3OH + H_2O}$

觸媒：​工業常用銅／氧化鋅／氧化鋁觸媒，記作 Cu/ZnO/Al₂O₃。這是甲醇合成階段的觸媒；煤氣化本身不應與此觸媒混為一談。

三、甲醇脫水製備二甲基醚

核心觀念

本題考的是以丙烯與苯共同製造酚與丙酮的「異丙苯法」（Cumene process）。流程包含苯的烷基化、異丙苯氧化，以及氫過氧化異丙苯的酸催化裂解。

解題方法

先讓丙烯與苯進行烷基化，生成異丙苯；再以空氣氧化異丙苯形成氫過氧化異丙苯，最後酸催化裂解，同時得到酚與丙酮。

1. 苯的烷基化：製備異丙苯

$\mathrm{C_6H_6 + CH_2{=}CHCH_3 \rightarrow C_6H_5CH(CH_3)_2}$

反應原料為苯與丙烯，產物為異丙苯（cumene）。傳統製程使用磷酸觸媒，例如以矽藻土為載體的磷酸；工業上也使用固體酸觸媒，如沸石。

2. 異丙苯氧化：製備氫過氧化異丙苯

$\mathrm{C_6H_5CH(CH_3)_2 + O_2 \rightarrow C_6H_5C(CH_3)_2OOH}$

核心觀念

永續航空燃油（Sustainable Aviation Fuel，SAF）是以符合永續性要求的生質原料或非生質原料製成，且可用於航空燃氣渦輪引擎的替代燃料。SAF 通常須符合航空燃油品質規範，並能與傳統航空燃油混合使用；相較於化石來源航空燃油，其生命週期溫室氣體排放較低。判斷是否屬於 SAF，重點在於原料來源、製程與全生命週期的環境表現，而非只看燃料是否來自生物質。

解題方法

題目要求分別列出四種生產原料及其採用方法，作答時應將「原料」與「轉換製程」配對說明。可依原料性質分類：油脂類、含糖或澱粉類、木質纖維素類，以及廢棄物或捕獲碳等原料。各類原料經不同的化學或熱化學程序，轉製成符合航空燃油規格的烴類燃料。

原料與生產方法

核心觀念

本題考查固定床反應器的莫耳衡算、回流比與反應器進出口衡算。正丁烯異構化為異丁烯，反應式為

反應前後皆為 $1:1$ 莫耳轉換；丁烷為惰性成分，不參與反應。以產品出口流量 $P$ 為基準，利用產品／回流莫耳比及整體程序的丁烷守恆，可求出各股物流的關係。

解題方法

令 $F$、$P$、$R$ 分別代表各股物流的總莫耳流率。原始進料中正丁烯莫耳分率為 $0.40$，丁烷莫耳分率為 $0.60$。產品中正丁烯與異丁烯的莫耳分率分別為 $X/100$、$Y/100$。

（一）$F$ 與 $P$ 的關係式

整體程序的正丁烯衡算：原始進料帶入的正丁烯，等於產品中的正丁烯與異丁烯之和。因此

故

（二）$R$ 與 $P$ 的關係式及丁烷守恆

題目給定產品出口端與回流物流的莫耳比為 $9.0$：

因此

整體程序以丁烷為惰性成分作衡算。丁烷只由原始進料進入，並由產品離開；回流是程序內部循環流，不列入整體衡算：

右側的產品丁烷莫耳分率為 $1-(X+Y)/100$，因題目所列產品組成包含正丁烯、異丁烯與丁烷。

（三）反應器進、出口端的異丁烯莫耳數

反應器進口物流由原始進料與回流混合而成。整體程序沒有異丁烯進料，且反應器出口的異丁烯全部分配為產品與回流。因此，反應器進口異丁烯莫耳數等於回流中的異丁烯莫耳數：