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

113 年・關務特考・三等・化學工程(選試英文)
試題代碼 化學程序工業（包括質能均衡）

第 一 題18 分

就工業壓力容器的安全規範，回答下列問題：（每小題 6 分，共 18 分）

(一) 可燃性氣體儲槽應以什麼方式標示？

(二) 液化氣體的儲槽四周應設置什麼？

(三) 請列舉 3 種我國法規中，所稱的「特定高壓氣體」。

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核心觀念

本題考查《高壓氣體勞工安全規則》中，可燃性氣體儲槽的識別方式、液化氣體外洩時的圍堵設施，以及「特定高壓氣體」的法定範圍。以下以命題當年（民國 113 年）法規為準。

解題方法與作答

（一）可燃性氣體儲槽的標示方式

依《高壓氣體勞工安全規則》第 36 條，可燃性氣體儲槽應：

  • 塗以紅色；或
  • 在槽壁明顯部分以紅字書明該氣體名稱。

若為地下儲槽、埋設於地盤內的儲槽、覆土式儲槽，或其他在槽壁標示缺乏識別效果的儲槽，則可設置標示牌或採其他易於識別的方式。

**作答要點：**記住「紅色槽體」或「槽壁明顯處紅字標示氣體名稱」；特殊儲槽可用標示牌等易識別方式。

（二）液化氣體儲槽四周的設施

依同規則第 37 條，達到法定儲存能力門檻的特定液化氣體設備，四周應設置防液堤或其他同等設施，以防止液化氣體洩漏後流竄至他處。適用門檻包括：

  • 液化可燃性氣體儲槽：儲存能力達 1,000 公噸；
  • 液化氧氣儲槽：儲存能力達 1,000 公噸；
  • 液化毒性氣體儲槽：儲存能力達 5 公噸；
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第 二 題21 分

(一) 何謂 ESG 與其包括方向？（9 分）

(二) 列舉 2 項說明關於 ESG 對化工生態系統發展的面向。（12 分）

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核心觀念

ESG 是評估企業永續經營與非財務風險的架構，分別代表：

  • E（Environmental，環境）：企業營運對環境的影響，以及因應環境風險的能力，例如溫室氣體排放、能源使用、水資源管理、污染防治、廢棄物處理與循環經濟。
  • S（Social，社會）：企業與員工、供應商、客戶及社區等利害關係人的互動，例如職業安全衛生、勞動權益、人權、產品安全、供應鏈責任與社區關係。
  • G（Governance，公司治理）：企業決策、監督及資訊揭露是否健全，例如董事會監督、誠信經營、法令遵循、風險管理、內部控制、資訊透明及股東權益保障。

解題方法

本小題先寫出 ESG 三個英文字母的完整名稱，再各以一至數個具體管理議題說明其方向。作答時應避免只寫「環保、社會、治理」等抽象詞語，需點出企業如何管理相關風險與責任。

（二）ESG 對化工生態系統發展的兩項面向

1. 環境面：推動低碳製程與循環型產業鏈

化工產業使用大量能源與原料，製程可能產生溫室氣體、廢水、廢氣及固體廢棄物。導入 ESG 的環境管理，可促使企業盤查排放與資源使用，進一步採用節能設備、低碳能源、製程改善及污染防治技術，降低單位產品的環境負荷。

在產業生態系統層面，企業可與上游原料供應商及下游客戶合作，發展再生原料、材料回收、副產品再利用及工業共生，使一個製程的副產物成為另一個製程的原料。

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第 三 題30 分

某一操作程序單元可將煤（Coal）與空氣作用產生高 H2H_2 濃度的氣體，如下圖。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

流程圖內容如下：

  • Stream 1：煤（Coal），含 CC、HH、SS、OO、Ash，進入氣化反應器。
  • Stream 2：H2OH_2O 及空氣（Air，含 O2O_2 與 N2N_2），進入氣化反應器。
  • 氣化反應器出口包括 Stream 3 與 Stream 4。
  • Stream 3：Ash、CC、H2OH_2O。
  • Stream 4：乾燥氣體（Dry Gas，mol%\mathrm{mol\%}）及 H2OH_2O。
  • Stream 4 乾燥氣體組成如下：
    • H2H_2：29.8%29.8\%
    • CH4CH_4：6.0%6.0\%
    • COCO：11.1%11.1\%
    • CO2CO_2：7.4%7.4\%
    • H2SH_2S：4.5%4.5\%
    • N2N_2：41.2%41.2\%

此程序分析得知如下的進出料訊息：（每小題 15 分，共 30 分）

Stream 1：煤的進料為 1000 kg/h1000\ \mathrm{kg/h}，煤的（wt%\mathrm{wt\%}）組成為：C(51.60%)C(51.60\%)、H(13.40%)H(13.40\%)、S(19.20%)S(19.20\%)、O(8.96%)O(8.96\%)、Ash（灰）(6.84%)(6.84\%)。

Stream 4：氣化後的氣體（含水份），但以乾燥分析得到（mol%\mathrm{mol\%}）：H2(29.8%)H_2(29.8\%)、CH4(6.0%)CH_4(6.0\%)、CO(11.1%)CO(11.1\%)、CO2(7.4%)CO_2(7.4\%)、H2S(4.5%)H_2S(4.5\%)、N2(41.2%)N_2(41.2\%)。

Stream 2：濕空氣中 H2OH_2O 占 5.4 mol%5.4\ \mathrm{mol\%}，而乾空氣中，O2O_2 與 N2N_2 的（mol%\mathrm{mol\%}）比率 21:7921:79。

Stream 3：反應器底部包含 Ash、CC 及 H2OH_2O。

(一) 計算煤中 CC 的轉化率（Conversion）。

(二) 此操作中空氣是否過量（Excess）？並說明理由。

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題考查元素衡算、乾燥氣體組成換算，以及煤中碳的轉化率與空氣過量判斷。

碳轉化率定義為：

XC=已轉化的碳量煤中碳進料量×100%X_C=\frac{\text{已轉化的碳量}}{\text{煤中碳進料量}}\times 100\%

依題意，未反應的碳留在 Stream 3；已轉化的碳則在 Stream 4 中以 CH4CH_4、COCO、CO2CO_2 存在。空氣是否過量，則比較實際供應的 O2O_2 與煤完全燃燒所需的理論 O2O_2 量。

解題方法

（一）計算煤中 CC 的轉化率

先用硫元素衡算求 Stream 4 乾燥氣體總莫耳流率。煤中硫的進料量為：

nS,in=1000(0.192)32=6.00 kmol/hn_{S,\mathrm{in}}=\frac{1000(0.192)}{32}=6.00\ \mathrm{kmol/h}

假設煤中的硫皆以乾燥氣體中的 H2SH_2S 排出，則：

ndry gas=6.000.045=133.33 kmol/hn_{\mathrm{dry\ gas}}=\frac{6.00}{0.045}=133.33\ \mathrm{kmol/h}

煤中碳的進料量為：

nC,in=1000(0.516)12=43.00 kmol/hn_{C,\mathrm{in}}=\frac{1000(0.516)}{12}=43.00\ \mathrm{kmol/h}

乾燥氣體中碳的莫耳分率來自 CH4CH_4、COCO 與 CO2CO_2，因此已轉化成氣體的碳量為：

nC,converted=133.33(0.060+0.111+0.074)=32.67 kmol/hn_{C,\mathrm{converted}} =133.33(0.060+0.111+0.074) =32.67\ \mathrm{kmol/h}

故碳轉化率為：

XC=32.6743.00×100%=75.97%X_C=\frac{32.67}{43.00}\times100\%=75.97\%

（二）判斷空氣是否過量

乾燥氣體中的 N2N_2 來自空氣，因此：

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第 四 題31 分

環氧乙烯的生產過程中，是由部分氧化乙烯得到，其發生的反應式為：

2C2H4+O2→2C2H4O2C_2H_4+O_2\rightarrow 2C_2H_4O C2H4+3O2→2CO2+2H2OC_2H_4+3O_2\rightarrow 2CO_2+2H_2O

反應器的進料為 20%20\% C2H4C_2H_4，其餘為空氣。在反應操作於 240∘C240^\circ\mathrm{C} 時，乙烯的轉化率為 25%25\%，但僅其中 60%60\% 產生環氧乙烯。

已知各成份的比熱值 CpC_p（J/(mol⋅K)\mathrm{J/(mol\cdot K)}）為：

  • C2H4C_2H_4：33.833.8
  • C2H4OC_2H_4O：18.018.0
  • O2O_2：29.929.9
  • N2N_2：14.714.7
  • CO2CO_2：19.019.0
  • H2OH_2O：34.134.1

各成份的標準生成熱（Standard Heat of Formation）（kcal/mol\mathrm{kcal/mol}）為：

  • C2H4C_2H_4：12.5012.50
  • C2H4OC_2H_4O：−12.58-12.58
  • CO2CO_2：−94.05-94.05
  • H2OH_2O：−57.80-57.80

當反應器的進料為 1000 kg mol/h1000\ \mathrm{kg\,mol/h}：

(一) 計算乙烯在上述 2 個反應式的反應量。（13 分）

(二) 若此反應過程需移除 57,000 kJ/h57{,}000\ \mathrm{kJ/h}，計算反應器的進料溫度。（18 分）

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核心觀念

本題考查反應器的反應進度與物料衡算，以及以標準生成熱與顯熱變化計算反應器能量衡算。先依乙烯轉化率和產物選擇率求兩個反應的反應量，再把進料與出口各成分的焓變列入能量衡算。

採用穩態、無軸功，且忽略動能與位能變化。空氣以 21%21\% O2O_2、79%79\% N2N_2 計；各成分比熱視為常數，並以 25∘C25^\circ\mathrm C 為生成熱基準溫度。反應器移除熱量表示 Q=−57,000 kJ/hQ=-57{,}000\ \mathrm{kJ/h}。

解題方法

（一）計算兩個反應的反應量

將進料基準設為 1000 kg mol/h1000\ \mathrm{kg\,mol/h}。進料含 20%20\% 乙烯，其餘為空氣，因此：

n˙C2H4,in=200 kg mol/h\dot n_{C_2H_4,\mathrm{in}}=200\ \mathrm{kg\,mol/h} n˙air=800 kg mol/h\dot n_{\mathrm{air}}=800\ \mathrm{kg\,mol/h} n˙O2,in=0.21(800)=168 kg mol/h\dot n_{O_2,\mathrm{in}}=0.21(800)=168\ \mathrm{kg\,mol/h} n˙N2,in=0.79(800)=632 kg mol/h\dot n_{N_2,\mathrm{in}}=0.79(800)=632\ \mathrm{kg\,mol/h}

乙烯轉化率為 25%25\%，故反應掉的乙烯為：

200(0.25)=50 kg mol/h200(0.25)=50\ \mathrm{kg\,mol/h}

其中 60%60\% 生成環氧乙烯，另外 40%40\% 經完全氧化反應。因此，兩個反應所消耗的乙烯分別為：

反應一乙烯消耗量=50(0.60)=30 kg mol/h反應二乙烯消耗量=50(0.40)=20 kg mol/h\begin{aligned} \text{反應一乙烯消耗量} &=50(0.60)=30\ \mathrm{kg\,mol/h}\\ \text{反應二乙烯消耗量} &=50(0.40)=20\ \mathrm{kg\,mol/h} \end{aligned}

反應式一每進行 11 個反應進度，消耗 22 mol 乙烯；反應式二每進行 11 個反應進度，消耗 11 mol 乙烯。因此：

ξ1=302=15 kg mol/hξ2=201=20 kg mol/h\begin{aligned} \xi_1&=\frac{30}{2}=15\ \mathrm{kg\,mol/h}\\ \xi_2&=\frac{20}{1}=20\ \mathrm{kg\,mol/h} \end{aligned}

若「反應量」指乙烯在各反應中的消耗量，答案為反應一 3030、反應二 20 kg mol/h20\ \mathrm{kg\,mol/h}；若指化學計量反應進度，則分別為 1515、20 kg mol/h20\ \mathrm{kg\,mol/h}。

（二）計算進料溫度

先由反應進度求出口流率。依題目反應式：

n˙C2H4,out=200−2(15)−20=150n˙C2H4O,out=2(15)=30n˙O2,out=168−15−3(20)=93n˙N2,out=632n˙CO2,out=2(20)=40n˙H2O,out=2(20)=40kg mol/h\begin{aligned} \dot n_{C_2H_4,\mathrm{out}}&=200-2(15)-20=150\\ \dot n_{C_2H_4O,\mathrm{out}}&=2(15)=30\\ \dot n_{O_2,\mathrm{out}}&=168-15-3(20)=93\\ \dot n_{N_2,\mathrm{out}}&=632\\ \dot n_{CO_2,\mathrm{out}}&=2(20)=40\\ \dot n_{H_2O,\mathrm{out}}&=2(20)=40 \end{aligned} \qquad \mathrm{kg\,mol/h}

題目第二個反應式照原文寫為 C2H4+3O2→2CO2+2H2OC_2H_4+3O_2\rightarrow2CO_2+2H_2O，此式的氧原子未平衡。以下為使物料衡算與能量衡算符合質量守恆，採用平衡式 C2H4+3O2→2CO2+2H2OC_2H_4+3O_2\rightarrow2CO_2+2H_2O；此式氧原子數兩側均為 66。依題目給定係數計算出口流率。

以標準生成熱計算 25∘C25^\circ\mathrm C 基準下的反應熱：

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