110 地方特考四等 化學工程 工業化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查「汽電共生」（Cogeneration／Combined Heat and Power, CHP）的基本原理、主要設備配置及能源利用效益。

汽電共生是指在同一能源利用系統中，利用燃料燃燒所產生的熱能，同時生產：

1. 電力：供工廠自用或併入電網。
2. 蒸汽或有效熱能：供製程加熱、蒸餾、乾燥、濃縮、反應及公用工程使用。

傳統發電僅重視電力輸出，大量熱能會以冷卻水或排氣形式排放；汽電共生則將發電後仍具有利用價值的蒸汽或煙氣熱量回收至工業製程，因而提高燃料的整體利用率。

能源利用效率可表示為：

$$\eta_{\mathrm{CHP}} = \frac{W_{\mathrm{e}}+Q_{\mathrm{useful}}}{Q_{\mathrm{fuel}}}$$

其中：

• $W_{\mathrm{e}}$：產生的電力或其等效能量；
• $Q_{\mathrm{useful}}$：回收並實際利用的製程熱能；
• $Q_{\mathrm{fuel}}$：燃料輸入熱量。

若僅計算發電效率，則：

$$\eta_{\mathrm{power}} = \frac{W_{\mathrm{e}}}{Q_{\mathrm{fuel}}}$$

汽電共生的重點在於使原本會被排放的低位熱能，轉變為可利用的製程蒸汽或熱源。

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解題方法：汽電共生的基本流程

汽電共生的典型流程如下：

$$\text{燃料燃燒} \rightarrow \text{鍋爐產生高壓蒸汽} \rightarrow \text{汽輪機膨脹發電} \rightarrow \text{抽取或排出蒸汽供製程使用}$$

其主要設備包括：

• 燃料供應與燃燒設備；
• 鍋爐或廢熱鍋爐；
• 汽輪機、發電機；
• 抽汽設備或背壓式汽輪機；
• 冷凝器；
• 給水泵、熱交換器及製程蒸汽管線；
• 必要時配置燃氣渦輪機及餘熱鍋爐。

實際作答時，應從「能源轉換流程」及「回收熱量方式」兩個層面說明。

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汽電共生的主要方法

一、背壓式汽輪機法

鍋爐產生高壓高溫蒸汽，蒸汽進入汽輪機膨脹做功，帶動發電機產生電力。蒸汽膨脹至某一設定壓力後，不進入冷凝器，而是以背壓蒸汽形式直接供給工業製程使用。

流程可表示為：

$$\text{鍋爐} \rightarrow \text{汽輪機發電} \rightarrow \text{背壓蒸汽供製程}$$

背壓式汽輪機的排汽壓力通常依製程所需蒸汽壓力決定，因此汽輪機出口蒸汽仍具有相當熱能。此法適合需要大量且穩定製程蒸汽的化學工廠、紙漿廠、食品工廠及紡織廠。

其特點是：

• 結構較簡單；
• 熱能利用率高；
• 製程蒸汽需求量會影響發電量；
• 製程熱負荷降低時，發電量也可能受到限制。

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二、抽汽式汽輪機法

高壓蒸汽先在汽輪機內膨脹做功，於汽輪機中間級抽取部分蒸汽供製程使用；未被抽出的蒸汽繼續膨脹至低壓端，最後進入冷凝器。

流程可表示為：

$$\text{鍋爐} \rightarrow \text{汽輪機前段膨脹} \rightarrow \begin{cases} \text{中間抽汽供製程}\\ \text{剩餘蒸汽繼續膨脹並發電} \end{cases}$$

抽汽壓力可依不同製程需求調整，因此能同時供應不同壓力等級的蒸汽。與單純背壓式系統相比，抽汽式系統在製程蒸汽需求變化時具有較高的操作彈性。

其優點包括：

• 可供應不同壓力與溫度的製程蒸汽；
• 可依熱負荷調整抽汽量；
• 剩餘蒸汽仍能繼續膨脹以增加發電量；
• 適合製程蒸汽需求變動較大的工廠。

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三、抽汽冷凝式汽輪機法

此法結合抽汽式與冷凝式汽輪機。部分蒸汽在中間級抽出供製程使用，其餘蒸汽則繼續膨脹至冷凝器。當製程蒸汽需求不足時，較多蒸汽可繼續膨脹發電；當製程需要熱量時，則增加抽汽量。

與背壓式汽輪機相比，此法的彈性較高，但因仍有部分蒸汽進入冷凝器，冷凝熱未全部被利用，系統設備與控制也較複雜。

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四、燃氣渦輪機與餘熱鍋爐法

燃料在燃氣渦輪機燃燒室內燃燒，產生高溫高壓燃氣，膨脹通過渦輪機並帶動發電機發電。燃氣渦輪機排出的高溫煙氣，進入餘熱鍋爐產生蒸汽，供製程使用。

流程為：

$$\text{燃料燃燒} \rightarrow \text{燃氣渦輪機發電} \rightarrow \text{高溫排煙} \rightarrow \text{餘熱鍋爐產汽} \rightarrow \text{製程利用}$$

此方法充分利用燃氣渦輪機排氣中的顯熱，適合需要電力及中高溫蒸汽的化學工業。若蒸汽再進入汽輪機發電，即形成燃氣—蒸汽複合循環，整體發電效率與能源利用率可進一步提高。

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五、底循環汽電共生

底循環是先由工業製程產生高溫廢氣或高溫副產物，再利用其熱量產生蒸汽並發電。

流程為：

$$\text{製程高溫廢熱} \rightarrow \text{廢熱鍋爐} \rightarrow \text{蒸汽} \rightarrow \text{汽輪機發電}$$

例如高溫爐、煉焦爐、玻璃窯及水泥窯排出的高溫煙氣，均可作為底循環的熱源。

核心觀念

本題考查光阻劑（photoresist）的基本組成，以及曝光後溶解度改變所造成的正、負型光阻差異。光阻劑是微影製程中將光罩圖形轉移至晶圓表面的感光材料，基本功能為：

1. 塗布於基材表面形成均勻薄膜。
2. 經特定波長光線曝光後，產生化學反應。
3. 以顯影液選擇性溶解除去部分光阻。
4. 將光罩圖形轉移至下方材料。

判斷正型、負型光阻的核心，不是看曝光區是否「變硬」，而是看曝光後該區域相對於顯影液的溶解性。

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一、光阻劑的主要組成

光阻劑通常由下列成分組成：

1. 樹脂或成膜材料（resin、polymer）

樹脂是光阻劑的主要固體成分，作用包括：

• 在晶圓表面形成連續薄膜。
• 提供光阻膜的機械強度。
• 增加對基材的附著力。
• 決定光阻膜對顯影液、蝕刻液及後續製程的耐受性。
• 作為光化學反應的反應基材或骨架。

常見樹脂包括 novolac resin、聚羥基苯乙烯（PHS）及環氧樹脂等。

2. 感光成分（photosensitive compound）

感光成分吸收特定波長的光能，進而發生光分解、產生酸、交聯或聚合反應，改變光阻膜的溶解性。

典型例子如下：

• 傳統正型光阻常使用 diazonaphthoquinone（DNQ）感光劑。
• 化學增幅型光阻常含有光酸產生劑（photoacid generator, PAG）。
• 負型光阻常利用光引發聚合或交聯，使曝光區形成不易溶解的網狀結構。

感光成分是光阻能夠依照光罩圖形產生選擇性反應的關鍵。

3. 溶劑（solvent）

溶劑用於溶解樹脂、感光成分及添加劑，使光阻劑具有適當的流動性，便於旋轉塗布形成均勻薄膜。

溶劑的主要影響包括：

• 光阻劑黏度。
• 塗布膜厚。
• 塗布均勻性。
• 預烘烤時的揮發速率。
• 光阻膜的缺陷與殘留溶劑量。

旋塗後通常先經預烘烤，使大部分溶劑揮發，留下固態光阻薄膜。

4. 添加劑（additives）

添加劑所占比例通常較小，但可改善光阻劑的製程性能，例如：

• 染料或吸收劑：調整光吸收深度及反射。
• 表面活性劑：改善潤濕性與塗布均勻性。
• 抗氧化劑或穩定劑：提高儲存穩定性。
• 鹼性抑制劑：控制化學增幅型光阻的酸擴散與反應速率。
• 黏著促進劑：增強光阻與晶圓表面的附著力。

因此，光阻劑可概括表示為：

$$\text{光阻劑} = \text{樹脂} + \text{感光成分} + \text{溶劑} + \text{添加劑}$$

若依傳統教科書的簡化分類，常將主要成分歸納為「樹脂、感光劑及溶劑」三大類，添加劑則視為改善性能的輔助成分。

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二、正型光阻劑與負型光阻劑的差異

1. 正型光阻劑（positive photoresist）

正型光阻的曝光區，經光化學反應後對顯影液的溶解度增加，因此曝光區會被顯影液除去。

其製程關係為：

$$\text{曝光} \Rightarrow \text{曝光區溶解度增加} \Rightarrow \text{曝光區被顯影除去}$$

結果為：

• 光罩的透明區通常允許光線通過。
• 對應的光阻區域受到曝光。
• 曝光區溶解於顯影液。
• 未曝光區保留在基材表面。
• 基材上留下的光阻圖形與光罩的不透明圖形相同，故稱為「正型」。

典型化學反應

以 DNQ-novolac 正型光阻為例，DNQ 受到紫外光照射後產生化學轉換，形成較具極性的羧酸類產物，使曝光區較容易溶於鹼性顯影液。

可簡化表示為：

$$\text{DNQ} \xrightarrow{h\nu} \text{羧酸類產物}$$

由於曝光區極性增加，曝光區在鹼性顯影液中的溶解速率提高。

核心觀念

本題考查三項重點：

1. 天然橡膠的化學組成與結構。
2. 高分子聚合後仍須硫化加工的原因。
3. 硫化交聯對橡膠物性的改善。

天然橡膠主要取自橡膠樹乳膠，其主要成分是由異戊二烯聚合而成的高分子：

$$\text{天然橡膠}=\text{順式-1,4-聚異戊二烯}$$

其單體異戊二烯（isoprene）的結構為：

$$\mathrm{CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2}$$

聚合後形成具有不飽和雙鍵的長鏈高分子，主要重複單元可表示為：

$$\left[-\mathrm{CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-}\right]_n$$

天然橡膠以順式-1,4 結構為主，分子鏈具有良好的柔軟性與可撓性，因而具備彈性。

解題方法

本題可依「成分與結構 → 未硫化缺點 → 硫化反應 → 硫化後優點」的順序作答。

一、天然橡膠的主要成分

天然橡膠的主要成分為順式-1,4-聚異戊二烯（cis-1,4-polyisoprene），其分子量很大，屬於線型高分子。

天然橡膠乳膠中除橡膠高分子外，尚含有少量蛋白質、脂質、樹脂、無機鹽及水分；但就橡膠的主要化學成分而言，答案應明確寫為「順式-1,4-聚異戊二烯」，不能只寫「異戊二烯」。

聚異戊二烯分子鏈中仍保留碳碳雙鍵：

$$\mathrm{C=C}$$

此雙鍵是硫化反應的重要反應位置。

二、聚合後仍須硫化的原因

聚合只能使異戊二烯單體連接成長鏈，形成高分子主鏈；但未硫化的天然橡膠大多仍是彼此獨立的線型分子，分子鏈之間缺乏足夠的化學交聯。

因此，未硫化天然橡膠具有下列缺點：

1. 容易產生永久變形與冷流現象

在長時間受力下，線型高分子鏈會逐漸滑移，橡膠容易伸長而無法恢復原狀，稱為冷流（cold flow）。

2. 機械強度不足

未硫化橡膠雖可伸長，但抗拉強度、抗撕裂性及耐磨性不足，無法承受長期機械負荷。

3. 受溫度影響大

溫度升高時，分子鏈活動性增加，橡膠容易變軟、發黏，甚至流動；溫度降低時，橡膠則容易變硬、失去彈性。

4. 耐熱性、耐老化性不佳

未硫化橡膠在熱、氧氣、臭氧及光線作用下，容易發生分子鏈斷裂或結構變化，導致物性下降。

5. 表面黏性較大

線型分子鏈容易互相滑動，未硫化橡膠常具有較強的黏性，不利於加工及使用。

因此，必須透過硫化，使線型聚異戊二烯分子鏈彼此連接，形成適度的三維網狀結構，以改善上述缺點。

三、硫化的反應原理

硫化是將橡膠與硫黃共同加熱，使硫原子在聚異戊二烯分子鏈之間形成交聯鍵。實際工業製程通常會搭配促進劑、活化劑及其他配合劑，以控制硫化速度與交聯密度。

簡化表示如下：

$$\text{橡膠分子鏈} \;-\;\mathrm{S_x}\;-\; \text{橡膠分子鏈}$$

其中 $\mathrm{S_x}$ 表示由硫原子形成的硫橋鍵，可能包含單硫鍵、雙硫鍵或多硫鍵。

硫化前，分子鏈大致呈獨立的線型排列：

$$\text{鏈A}\qquad \text{鏈B}\qquad \text{鏈C}$$

硫化後，分子鏈之間形成交聯：

$$\text{鏈A}-\mathrm{S_x}-\text{鏈B}$$

核心觀念

本題考查 PET 的兩大回收途徑：

1. 物理回收：不破壞 PET 的聚合物主鏈，經分類、清洗、粉碎、熔融及再造粒，使廢 PET 成為可再利用的塑料原料。
2. 化學回收：利用醇解、水解等反應，使 PET 的酯鍵斷裂，將高分子解聚成單體或低分子中間物，再重新製成高品質 PET。

PET 是由對苯二甲酸或對苯二甲酸二甲酯與乙二醇縮聚形成的聚酯，其結構中含有可被醇、水等物質攻擊的酯鍵，因此適合進行解聚反應。

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解題方法

答題時依序掌握三部分：

• 物理回收須寫出完整的「廢料處理流程」。
• 化學回收須列出兩種方法，並說明反應產物。
• 優越性須從「原料純度、產品品質、污染容忍度、循環利用性」與物理回收比較。

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一、物理回收步驟或程序

物理回收又稱機械回收，典型程序如下：

1. 廢 PET 收集

收集寶特瓶、食品容器、包裝材料等廢 PET，並先進行初步壓縮與集中運送。

2. 分類與分選

將 PET 與其他塑膠分離，並依顏色、透明度、用途及材質分類。常見分選方式包括：

• 人工分選；
• 近紅外線或光學分選；
• 磁選、風選等輔助分離；
• 以瓶蓋、標籤材質差異進行分離。

此步驟的目的在於降低 PVC、PE、PP、金屬、紙張及其他異物混入。尤其 PVC 混入 PET 後，在高溫加工時容易分解並造成產品劣化。

3. 去除瓶蓋、標籤及雜質

除去瓶蓋、瓶身外的標籤、膠黏劑、金屬物及其他非 PET 部分。瓶蓋常由 PP 或 HDPE 製成，須與 PET 分開回收。

4. 粉碎或切片

將 PET 容器切碎成薄片或碎片，使其表面積增加，方便後續清洗與加工。

5. 清洗

以水、清潔劑或鹼性洗液去除飲料殘留物、油脂、糖分、灰塵、膠黏劑及有機污染物。清洗後通常須以清水充分沖洗，降低清潔劑與可溶性雜質殘留。

6. 分離與乾燥

利用密度差、浮沉分離或水力分選，將 PET 與瓶蓋碎片、標籤碎片等分開。之後將 PET 碎片脫水並充分乾燥。

PET 對水分相當敏感，若含水量過高便進入熔融加工階段，水會促進聚酯水解，造成分子量下降、黏度降低及機械強度劣化。

7. 熔融擠出與過濾

將乾燥後的 PET 碎片加熱熔融，經由擠出機混合及輸送，再以濾網或熔體過濾器除去未熔物、紙屑、金屬微粒及其他固體雜質。

8. 再造粒

將熔融 PET 擠出成條狀，冷卻後切割成規則粒子，製成再生 PET 樹脂，供射出成形、押出成形或纖維紡絲使用。

9. 必要時進行增黏或固相聚合

若再生 PET 的分子量與特性黏度不足，可先進行固相聚合，使分子量提高；食品級或高品質用途通常還須進行更嚴格的污染控制與品質檢驗。

物理回收流程整理

$$\text{收集} \rightarrow \text{分類分選} \rightarrow \text{去除標籤與瓶蓋} \rightarrow \text{粉碎} \rightarrow \text{清洗} \rightarrow \text{分離與乾燥} \rightarrow \text{熔融擠出} \rightarrow \text{過濾} \rightarrow \text{再造粒}$$

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二、兩種化學回收法

1. 乙二醇解（Glycolysis）

以乙二醇作為反應物，在催化劑及加熱條件下，使 PET 的酯鍵發生醇解，生成低分子寡聚物或雙羥乙基對苯二甲酸酯 BHET。

簡化反應可表示為：

$$\text{PET} + \text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH} \rightarrow \text{BHET及低聚物}$$