109 高普考高考三級 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡） 考古題詳解

核心觀念

綠色化學製程是從化學產品與製程的設計階段著手，運用化學原理減少或消除有害物質的使用與生成。重點在於從源頭預防污染，而非等廢棄物或污染物產生後，再以末端處理加以控制。

它不只是「使用天然原料」或「降低排放」；還涵蓋原料選擇、反應路徑、溶劑與催化劑、能源使用、產品設計及製程安全等面向。

解題方法

本題屬於觀念申論題，可依「定義 → 作法 → 重要性」作答：

1. 先說明綠色化學製程的核心定義：在產品及製程設計時，預防或減少有害物質的使用與生成。
2. 再列出製程上常見作法，例如提高原子經濟性、使用較安全的原料與溶劑、採用催化反應、降低能源消耗，以及設計較易分解且低毒性的產品。
3. 最後從污染防治、資源效率、職業安全、法規與經濟效益等角度說明重要性。

綠色化學常以「十二項原則」作為設計指引，包括廢棄物預防、原子經濟性、較低危害的合成方法、較安全的化學品設計、較安全的溶劑與助劑、能源效率、使用再生原料、減少衍生化、採用催化劑、設計可分解產品、即時分析污染防治，以及降低事故風險。

綠色化學製程的作法

實際設計時，可從下列方向著手：

• **減少廢棄物與提高原子利用率：**選擇副產物較少的反應路徑，使反應物中的原子盡可能進入目標產品。
• **選用較安全的原料與反應條件：**避免或減少高毒性、腐蝕性、易燃性或持久性物質。
• **改良溶劑與助劑：**減少使用有害溶劑，並優先考慮危害較低、可回收的替代方案。

核心觀念

金屬礦還原的目的，是把礦石中的金屬離子或金屬氧化物還原成金屬單質。就常見的冶金還原方式，可依還原劑或供給還原力的來源，分為：

1. 碳（或一氧化碳）還原
2. 氫還原
3. 電解還原

選擇方法時，需考量金屬氧化物的穩定性、還原反應的熱力學條件，以及製程的能源與成本。

解題方法

作答時先列出三種方法，再分別說明其還原原理、代表反應及適用情形：

1. 碳或一氧化碳還原 在高溫下，以焦炭、煤或一氧化碳作還原劑，將金屬氧化物還原成金屬。以氧化鐵為例：

$\mathrm{Fe_2O_3+3CO\rightarrow 2Fe+3CO_2}$

也可用碳表示：

$\mathrm{Fe_2O_3+3C\rightarrow 2Fe+3CO}$

此法常用於鐵等氧化物可由碳或一氧化碳還原的金屬。若金屬對氧的親和力很強，或所需反應溫度過高，碳還原便不適合。

核心觀念

本題考查連續式攪拌反應槽（CSTR）的設計方程。CSTR 內完全混合，因此槽內反應物濃度等於出口濃度；對液相、密度不變的反應，可用體積流量表示進料與出口的莫耳流率。

一階反應的反應速率為 $-r_A=kC_A$。CSTR 設計方程為：

其中 $X$ 為轉化率，且出口反應速率以出口濃度計算。

解題方法

已知密度不變，體積流量可視為不變，因此：

進料莫耳流率為 $F_{A0}=v_0C_{A0}$，出口反應速率為：

代入 CSTR 設計方程：

核心觀念

這題考多層平壁的穩態一維熱傳。假設各層接觸良好、熱傳係數固定且沒有熱生成，熱流依序通過三層磚材，因此每層的熱通量相同。

每層單位面積熱阻為 $R_i=L_i/k_i$，總熱阻為各層熱阻相加，故：

其中 $q''$ 的單位為 $\mathrm{kcal/(hr\cdot m^2)}$。本題的溫差用攝氏度或開爾文表示，數值相同。

解題方法

依原頁掃描圖表格，三層材料資料為：防火磚厚 $15.3\ \mathrm{cm}$、隔熱磚厚 $10.2\ \mathrm{cm}$、普通磚厚 $10.2\ \mathrm{cm}$。各層厚度先換算成公尺：

（一）火爐向外面的熱損失

三層總熱阻為：

內、外表面溫差為：

因此熱損失為：

核心觀念

本題考查化學反應計量，包括限量反應物、超量百分比、產率與反應程度（extent of reaction）。依反應式的化學計量係數，先將各反應物換算為莫耳數，再除以其係數，較小者即為限量反應物。

反應式為：

解題方法

先計算反應物莫耳數：

以化學計量係數比較：

因此氯氣先耗盡，為限量反應物；氫氧化鈉為超量反應物。

（一）限量反應物

限量反應物為 $\mathrm{Cl_2}$。

（二）超量供給百分比

每 $1$ kmol $\mathrm{Cl_2}$ 理論上需 $2$ kmol $\mathrm{NaOH}$。依實際氯氣量，理論所需氫氧化鈉為：

換算為質量：

超量百分比以理論需求量為基準：