111 專技高考高等考試 化學工程技師 程序設計 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對化學工程電腦輔助程序工程（Computer-Aided Process Engineering, CAPE）核心工具——程序模擬軟體（Process Simulator）之掌握程度，涵蓋下列關鍵觀念：

1. 程序模擬之架構與本質：化工程序模擬軟體建立於嚴密的物料與能量衡算（Mass and Energy Balances）、熱力學狀態方程式與活度係數模式（EOS & Activity Coefficient Models）、相平衡（VLE/LLE/VLLE）與化學反應動力學之上，主要用於穩態（Steady-State）製程之數值聯立求解。
2. 單元操作模組化（Unit Operation Models）：將工廠內之實際設備抽象化為標準化數學模型（如分離塔、反應器、熱交換器、流體輸送單元）。
3. 工程實務應用廣度：程序工程師在不同產業中利用模擬軟體進行設計、瓶頸診斷、製程優化與節能整合之能力。

解題方法

本題為標準的化工技師申論題，作答策略應採取「定義精確、分類明確、中英並陳、實務呼應」的結構切入：

1. 第一小題（定義與用途）：先定義 Aspen Plus 的核心架構（以熱力學資料庫為核心、連續求解穩態質能平衡之商用軟體），再依工程生命週期（研發規劃 $\to$ 詳細設計 $\to$ 操作優化 $\to$ 安全環保）條列具體用途。
2. 第二小題（內建模型）：切忌只列出單一類型的模型。應跨越不同單元操作分類，挑選具代表性的 5 種經典模組（如：分離、反應、熱交換、流體輸送、閃蒸），並標明官方英文模型代碼、中文名稱及核心適用功能，展現專業深度。
3. 第三小題（適用產業）：挑選 5 類具代表性之化工相關工業，簡要說明該產業使用 Aspen Plus 的典型處理情境（如分離重質油、溶劑回收、反應器放大等），強化答案與實務之連結。

選項分析（子題評分點剖析）

本題為申論問答題，各子題作答重點與評分關鍵分析如下：

• 第（一）子題：評分核心在於能否區分 Aspen Plus 與一般繪圖軟體（如 AutoCAD）或通用計算工具（如 MATLAB）的本質差異。關鍵詞必須包含「穩態程序模擬」、「相平衡/熱力學模型庫」、「物料與能量衡算求解」。若只寫「化學軟體、畫流程圖」，得分偏低。
• 第（二）子題：評分核心在於模組名稱是否為 Aspen Plus 標準內建 Block 名稱。寫出精確代碼（如 RadFrac、RCstr）遠比寫模糊通稱（如 Distillation Column、Reactor）得分更高，且能證明考生具備實際操作或紮實文獻基礎。
• 第（三）子題：評分核心在於產業多元性與化工相關性。建議涵蓋傳統大型石化、高附加價值精細化工/製藥，以及現代新興能源/減碳產業，避免舉例過於單一（例如同時列出「乙烯業」與「丙烯業」會被視為重複範疇）。

解題技巧

1. 中英代碼對照：寫出單元模型時，務必採用官方英文代碼加中文說明（例如：RadFrac 嚴密分餾塔），此為閱卷委員辨識考生是否受過完整程序設計訓練的關鍵指標。
2. 分項標號清晰：申論題閱卷時間緊湊，答案應採層次分明的列點排版（如 1. 2. 3. 或 A. B. C.），避免密密麻麻的段落式陳述。
3. 避免混淆動態與穩態：Aspen Plus 原生核心為穩態模擬系統，若提及動態模擬，應指明需外接 Aspen Plus Dynamics，避免觀念混淆。

【答案】

（一）Aspen Plus 是什麼？有何用途？

1. Aspen Plus 簡介： Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering Plus）是由美國 AspenTech 公司所開發之世界主流大型化工程序穩態模擬（Steady-State Process Simulation）套裝軟體。其核心架構奠基於龐大的物性資料庫、嚴密熱力學相平衡模型（如氣液平衡 VLE、液液平衡 LLE、電解質系統等）與數值非線性求解演算法，能建立全廠製程流程圖（Process Flowsheet）並進行精準的連續求解計算。

核心觀念

本題考查由化學反應圖辨認原料、中間體、產品與副產品，並將反應步驟轉成基本程序流程圖。圖中包含兩個反應：

第一步為乙烯直接氯化，生成 1,2-二氯乙烷；第二步將 1,2-二氯乙烷熱裂解，生成氯乙烯與氯化氫。

解題方法

先依箭線辨認進出物流，再依方程式判斷各物質角色：進入第一反應器的是原料，第一步生成物是中間體，第二步生成物則是最終產品與副產品。流程圖再依「進料、反應、分離、產品回收」的順序排列。

（一）原料與產品中文名稱

• 原料：乙烯（$\mathrm{C_2H_4}$）、氯氣（$\mathrm{Cl_2}$）
• 中間體：1,2-二氯乙烷（$\mathrm{C_2H_4Cl_2}$，EDC）
• 產品：氯乙烯（$\mathrm{C_2H_3Cl}$，VCM）
• 副產品：氯化氫（$\mathrm{HCl}$）

（二）化工單元

可列舉下列四種以上：

1. 混合器：混合乙烯與氯氣。
2. 直接氯化反應器：使乙烯與氯氣反應生成 1,2-二氯乙烷。
3. 加熱器或裂解爐：將 1,2-二氯乙烷加熱至裂解條件。
4. 熱裂解反應器：使 1,2-二氯乙烷生成氯乙烯與氯化氫。
5. 冷卻器或急冷器：冷卻裂解產物流。

核心觀念

本題考查氯乙烯（VCM）製程的流程辨識：乙烯與氯氣先反應生成 1,2-二氯乙烷（EDC），EDC 經裂解生成氯乙烯與氯化氫，再用蒸餾塔分離產品並回收未反應的 EDC。

主要反應為：

$\mathrm{C_2H_4 + Cl_2 \rightarrow C_2H_4Cl_2}$

$\mathrm{C_2H_4Cl_2 \rightarrow C_2H_3Cl + HCl}$

解題方法

先依進料辨認前段反應：乙烯與氯氣進入 R-100，生成 EDC。接著追蹤流程至 F-100；EDC 在裂解爐中反應，產物主要為氯乙烯與氯化氫。

再依沸點與塔頂、塔底物流判斷分離結果：氯化氫由 T-100 塔頂排出；氯乙烯由 T-101 塔頂回收；較高沸點的未反應 EDC 由塔底回收並循環。E-105、E-107 分別連接兩座蒸餾塔的塔底，作為再沸器。

逐小題作答

（一）物流 (a) 與 (b)

• (a)：氯化氫，HCl。 它是 EDC 裂解的副產物，經 T-100 分離後由塔頂排出。
• (b)：氯乙烯，C₂H₃Cl。 它是 EDC 裂解的目標產品，經 T-101 分離後由塔頂回收。

（二）化學反應裝置與再沸器裝置

• 化學反應裝置：R-100、F-100。 R-100 進行乙烯與氯氣的氯化反應；F-100 為 EDC 裂解反應的加熱爐。
• **再沸器裝置：E-105、E-107。

核心觀念

設備成本估算使用成本指數修正與成本容量縮放：

其中 $I$ 為設備成本指數，$D$ 為塔徑，$H$ 為塔高，$n$ 為成本指數。本題給定 $n=1.7$；按此類蒸餾塔估算，塔徑項採 $1.7$ 次方，塔高項採線性比例。

解題方法

基準設備為直徑 $0.5\ \mathrm{m}$、塔高 $5\ \mathrm{m}$，成本 $1.8\times10^4$ 美元，基準年 CE 指數為 $441.9$。目標設備直徑 $1.5\ \mathrm{m}$、塔高 $30\ \mathrm{m}$，CE 指數為 $453.8$。

代入成本縮放式：

核心觀念

本題考累積現金流圖的判讀，以及折現率如何影響投資案的淨現值。某一折現率 $i$ 下，累積折現現金流可表示為：

其中 $CF_t$ 是第 $t$ 期現金流。折現率愈高，未來正現金流折算成現值後愈小，因此累積現金流曲線的期末值通常愈低。

解題方法

• D 點是累積現金流的最低點，代表投資案在回收前所達到的最大累積現金赤字，也就是最大資金需求。
• F 點是累積現金流回到零的位置，代表截至該時點，累積現金流已抵銷先前的投資支出；其時間為回收期間。若圖中的曲線是折現後現金流，則對應折現回收期間。