114 高普考高考三級 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析） 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩組觀念：一是程序流程圖（process flow diagram, PFD）與管件及儀表圖（pipe & instrument diagram, P&ID）的資訊層級差異；二是清潔生產製程如何在原料、能源與製程管理上減少污染源，並與傳統製程比較。

PFD著重呈現製程的主要設備、物流方向與重要操作條件；P&ID則以PFD為基礎，進一步呈現管線配置、儀表控制及安全設施等細節，供設計、施工、操作與維修使用。

解題方法

作答時可先區分兩張圖的用途：PFD回答「物料如何經過主要設備轉變」，P&ID則回答「設備之間如何配管、如何量測與控制，以及如何確保安全」。第二小題依題目指定的原料、能源、回收及污染物分類，逐項對照清潔生產與傳統製程。

（一）P&ID比PFD多加入的資料

P&ID相較於PFD，通常增加以下細節：

1. 管線資料：各段管線的編號、管徑、管線材質或等級、保溫或伴熱需求，以及管線連接與流向。
2. 管件與閥件：手動閥、控制閥、止回閥、安全閥等的位置、型式與配置。
3. 儀表與控制迴路：壓力、溫度、流量、液位等測點；指示器、傳送器、控制器及控制閥；以及儀表代號和訊號連接。
4. 設備連接細節：設備的進出口、旁通管線、排放口、放空口、取樣點與沖洗管線等。
5. 安全與保護設施：安全閥、爆破片、聯鎖、緊急切斷、警報及其他保護裝置的配置。
6. 操作與維修所需配置：排液、排氣、清洗、隔離和設備拆修所需的管線、閥件與連接方式。

PFD通常標示主要設備與重要物流，並提供重要物流的流量、組成及溫度、壓力等操作資料；它不以完整的管線、閥件及控制迴路細節為主要目的。

（二）清潔生產製程與傳統生產製程的差異

清潔生產的核心是從製程源頭預防或減少污染與資源耗用，包含改善原料選擇、製程效率、能源使用及資源回收。傳統製程則較常在污染物產生後，再以末端處理設備降低排放。

核心觀念

本題考蒸餾程序的穩態質量衡算與乙醇成分衡算。假設蒸餾過程沒有化學反應、物料累積或損失，則總質量流率守恆，乙醇質量流率也守恆。

解題方法

令塔底溶液質量流率為 $B$，乙醇質量分率為 $x_B$。進料中乙醇質量流率為

塔頂流出液的乙醇質量流率為

由總質量衡算：

(一) 阻滯因數 $R_f$

核心觀念： 濾紙色層分析的阻滯因數，定義為化合物色點自起點移動的距離除以溶劑前沿自起點移動的距離：

解題方法： 將題目給定的色點距離 $3\ \text{cm}$ 與溶劑前沿距離 $5\ \text{cm}$ 代入：

$R_f$ 為無因次比值，且一般介於 $0$ 與 $1$ 之間。

(二) 理論板數 $N$ 與理論板高 $H$

核心觀念： 以尖峰底部寬度 $W_b$ 計算理論板數時，使用：

核心觀念

本題考查廢水中氨氮、銨離子、硝酸根與磷酸鹽的物化處理原理。氣提法是利用酸鹼平衡將水中銨離子轉成揮發性氨，再以氣液接觸帶出；離子交換法以樹脂上的可交換離子置換水中的目標離子；磷酸鹽則可藉由鋁鹽、鐵鹽生成難溶沉澱，或以石灰生成磷酸鈣沉澱。

(一) 氣提法去除氨氮

水中氨氮以游離氨 $\mathrm{NH_3}$ 和銨離子 $\mathrm{NH_4^+}$ 的形式存在，兩者平衡為：

先將廢水調高 pH，使平衡向右移動，增加游離氨比例；常用操作條件為鹼性環境，實際 pH 依水溫及處理需求設定。再將廢水送入填充塔或其他氣液接觸設備，通入空氣，使氨由液相轉移至氣相。尾氣須導入酸洗塔吸收，避免氨逸散造成二次污染；酸洗所得銨鹽溶液可回收或妥善處理。

以硫酸吸收尾氣中的氨為例：

(二) 離子交換法去除 $\mathrm{NH_4^+}$ 和 $\mathrm{NO_3^-}$

離子交換樹脂利用固定在樹脂上的官能基及可交換反離子，選擇性置換水中的目標離子。去除陽離子與陰離子時，須分別使用陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。

• **去除銨離子：**以鈉型陽離子交換樹脂置換 $\mathrm{NH_4^+}$：

樹脂達交換容量後，需再生以恢復交換能力。

• **去除硝酸根：**以氯型強鹼性陰離子交換樹脂置換 $\mathrm{NO_3^-}$：

核心觀念

本題考 $^1\mathrm{H}$ NMR 的三項基本判讀：

1. 積分值：代表各類型氫的相對數目。
2. 化學位移 $\delta$：越往左，越低場、越去屏蔽；越往右，越高場、越受屏蔽。
3. 烯烴異向性效應：雙鍵周圍的電子環流會使烯基氫及鄰近雙鍵的氫較去屏蔽，化學位移向低場移動。

（一）結構與各峰歸屬

2-methyl-1-pentene 的結構為：

各類氫如下：

• 端基烯烴氫：$\mathrm{=CH_2}$，共 $2$ 個
• 雙鍵上的甲基氫：$\mathrm{-C(CH_3)=}$，共 $3$ 個
• 烯丙位亞甲基氫：$\mathrm{=C-CH_2-}$，共 $2$ 個
• 中間亞甲基氫：$\mathrm{-CH_2-}$，共 $2$ 個
• 末端甲基氫：$\mathrm{-CH_3}$，共 $3$ 個

依圖譜位置與積分值判定：

核心觀念

汽油辛烷值是衡量燃料在火花點火引擎中抗爆震能力的指標。以標準燃料比較時，異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的辛烷值定為 100，正庚烷的辛烷值定為 0。某汽油的辛烷值，等於具有相同抗爆震能力之異辛烷與正庚烷混合物中，異辛烷所占的體積百分率。

例如，辛烷值為 90，表示其抗爆震能力相當於體積含 90% 異辛烷與 10% 正庚烷的標準混合物。辛烷值不是汽油中實際含有異辛烷的比例，也不代表汽油的熱值。

解題方法與各小題分析

（一）辛烷值的定義（5 分）

依上述標準燃料比較法，以汽油在標準引擎測試下的抗爆震程度，和異辛烷／正庚烷混合物比較；相同抗爆震能力之標準混合物中，異辛烷的體積百分率即為該汽油的辛烷值。

（二）正戊烷與正辛烷何者辛烷值較高？（3 分）

正戊烷的辛烷值較高。兩者都是直鏈烷烴；在直鏈烷烴系列中，碳鏈越長，越容易發生爆震，抗爆震能力通常越差。因此正辛烷的辛烷值低於正戊烷。

須注意，辛烷值不是依分子所含碳原子數命名或直接決定；正辛烷的辛烷值並非 0。辛烷值標定為 0 的標準物是正庚烷。

（三）1-戊烯與正戊烷何者辛烷值較高？（3 分）

1-戊烯的辛烷值較高。一般而言，在碳數相同的情況下，不飽和烴的抗爆震能力高於相應的直鏈飽和烴；因此 1-戊烯高於正戊烷。

（四）如何提升汽油之辛烷值？（6 分）