112 地方特考三等 化學工程類科 化學程序工業（包括質能均衡） 考古題詳解

核心觀念

本題考查共沸蒸餾的定義，以及酒精脫水時常用的共沸劑。乙醇與水在常壓下會形成最低沸點共沸物，普通蒸餾無法使乙醇濃度超過共沸組成；加入適當共沸劑，改變汽液平衡，使水能隨蒸氣帶出，便可提高酒精純度。

解題方法

回答定義時，抓住共沸蒸餾的兩個特徵：加入第三成分（共沸劑），以及利用共沸劑改變汽液平衡，形成新的共沸組成或降低特定組分的揮發分離障礙。酒精脫水時，共沸劑協助水與乙醇分離；蒸出物再經冷凝與後續分離，回收共沸劑並取得較高濃度乙醇。

（一）共沸蒸餾的定義

共沸蒸餾是在待分離的液體混合物中，加入一種適當的第三成分作為共沸劑，使系統的汽液平衡關係改變，形成新的共沸物或改變原有共沸特性，藉由蒸餾使目標成分與共沸劑或其他成分共同進入蒸氣相，再利用冷凝及後續分離，達成原本不易以普通蒸餾完成的分離。

核心觀念

尿素可由二氧化碳與氨反應合成。工業上通常分成兩步：先由氨與二氧化碳生成氨基甲酸銨，再使氨基甲酸銨脫水生成尿素。第一步主要是放熱反應，第二步為吸熱脫水反應。

解題方法

先寫出中間物氨基甲酸銨的生成反應，再寫脫水反應，最後相加並消去中間物：

兩式相加後，得到尿素合成的總反應：

其中 $\mathrm{NH_2CONH_2}$ 即尿素。原子衡算可驗證：反應物兩側均有 $2$ 個碳、$6$ 個氫、$2$ 個氮及 $3$ 個氧原子。

解題技巧

作答時可同時列出中間物形成與脫水兩步，呈現反應途徑；若題目只要求總反應，則寫出總反應式並確認元素守恆。不要把氨基甲酸銨誤寫成尿素，兩者是不同化合物。

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

核心觀念

二甲基醚的分子式為 $\mathrm{CH_3OCH_3}$，亦可寫成 $\mathrm{C_2H_6O}$。以二氧化碳為碳源時，可先將二氧化碳與氫氣加氫生成甲醇，再使甲醇脫水生成二甲基醚。氫氣提供加氫所需的氫原子。

解題方法

第一步為二氧化碳加氫生成甲醇：

核心觀念

本題考查乾式集塵器的粒子捕集機制與各設備的適用粒徑範圍。乾式集塵器不以液體洗滌氣流，可避免產生大量含塵廢水；選型時須考量粒徑、粉塵性質、氣量與所需集塵效率。

解題方法

列舉四種常用設備，並以「主要集塵力」說明其原理，再比較適用粒徑。常見答案包括重力沉降室、慣性集塵器、旋風集塵器與袋式集塵器；亦可用靜電集塵器作為其中一種。

下列粒徑範圍為工程上的概略適用範圍，實際分界會隨設備尺寸、操作條件及粉塵性質而變動。

核心觀念

生質柴油主要是由植物油中的三酸甘油酯與低分子量醇反應，生成脂肪酸烷基酯；使用甲醇時，主要產品為脂肪酸甲酯（FAME），副產品為甘油。非糧食植物油常含較多游離脂肪酸（FFA），因此製程須依原料的 FFA 含量，選擇單段鹼催化轉酯化，或先酸催化酯化、再鹼催化轉酯化的兩段程序。

解題方法

先列出可供生質柴油製造的非食用油料，再依原料中 FFA 含量分辨程序：

• FFA 含量低：直接鹼催化轉酯化，反應速率快。
• FFA 含量高：先酸催化酯化降低 FFA，再鹼催化轉酯化，避免皂化。

（一）三種非糧食植物油原料

可列舉：

1. 麻瘋樹油（Jatropha oil）
2. 印度黃檀／卡蘭賈油（Karanja oil，Pongamia oil）
3. 印度苦楝油（Neem oil）

其他可接受例子包括 Mahua 油、蓖麻油等。作答時列出三種即可。

（二）化學反應及操作條件：兩種程序

程序一：單段鹼催化轉酯化

適用於 FFA 含量低、含水量低的油料。通常以甲醇為反應醇，使用 NaOH、KOH 或甲醇鈉作鹼催化劑。

總反應式為：

其中 $\mathrm{RCOOCH_3}$ 為脂肪酸甲酯（生質柴油），$\mathrm{C_3H_5(OH)_3}$ 為甘油。

常見操作條件為甲醇與油的莫耳比約 $6:1$，催化劑約為油重的 $0.5\text{–}1\%$，反應溫度約 $50\text{–}65^\circ\mathrm{C}$，並以充分攪拌促進油相與甲醇相接觸。反應後靜置分層，移除甘油相，再洗滌、乾燥生質柴油。

程序二：兩段酸鹼催化程序

**核心觀念：**萃取蒸餾是藉由加入一種對混合物中各成分具有不同作用的高沸點溶劑，改變它們的氣液平衡與相對揮發度，讓原本沸點接近、難以用普通蒸餾分離的成分得以分開。這題考的是溶劑如何協助蒸餾，而不是液液萃取的分配原理。

**解題方法：**說明定義時，可依序交代「加入溶劑」、「溶劑選擇性改變相對揮發度」及「蒸餾塔頂、塔底分別取得何種物流」。

芳香烴與非芳香烴沸點接近時，加入對芳香烴有較強作用力的選擇性溶劑，可降低芳香烴相對於非芳香烴的揮發性，使兩者的相對揮發度增加。若將相對揮發度定義為：

其中 $K_A$ 與 $K_N$ 分別為芳香烴與非芳香烴的氣液平衡比，溶劑的作用是改變兩者的氣液平衡，使分離較容易。

典型操作中，溶劑由塔上部加入，原料在較下方進料。較易揮發的非芳香烴由塔頂餾出；受溶劑作用、揮發性降低的芳香烴則與溶劑一同由塔底流出，再以後續蒸餾回收芳香烴並循環使用溶劑。