112 專技高考高等考試 化學工程技師 程序設計 考古題詳解
第 一 題60 分
某製程模擬軟體完成模擬後，產生附件之報表結果，請參考該表回答以下問題。
(一) 嘗試畫出製程流程圖，應標示各單位（unit）與物流（stream）、物流方向，以及根據數據判斷 unit 功能，使用合適的 unit 圖示。（15 分）
(二) 說明各單元可能的功能與操作參數。（15 分）
(三) 請由整體製程的所有進料（inlet）和所有出料（outlet）物流，計算確認整體是否達到質量平衡（mass balance）。（10 分）
(四) 請由附件之報表資訊寫出可能的反應方程式，並計算轉化率。（20 分）
附件：製程模擬結果表。
（附件表格內容未包含於文字層擷取結果，請參考原卷。）
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核心觀念
本題考查製程流程圖判讀、單元操作功能推定、穩態質量平衡，以及由反應器進出口物流推算反應式與轉化率。計算時須區分新鮮進料、產品與排放物流，以及製程內部循環物流：總流程的質量平衡只計外部進料與外部出料，不能把循環物流重複計入。
穩態下，整體質量平衡為：
反應物轉化率以反應器進出口的反應物莫耳流率計算：
(一) 製程流程圖
依報表的 From、To 欄判讀，製程連接如下：
BZFEED ─┐
H2FEED ─┼──> [PREHEAT] ── R-IN ──> [REAC] ── R-OUT ──> [FLASH]
VAPREC ─┤ │
LIQREC ─┘ ┌────────────────┴──────────────┐
│ │
液相：LIQ1 氣相：VAP1
│ │
[SPLIT2] [SPLIT1]
┌────┴────┐ ┌────┴────┐
CFEED（產品） LIQREC（循環） PURGE（排放） VAPREC（循環）
│ │
└────────回 PREHEAT─────────────┘
各單元的圖示可依功能表示為：PREHEAT 用加熱器或熱交換器符號，REAC 用反應器符號，FLASH 用氣液分離槽符號，SPLIT1、SPLIT2 用分流器符號。報表顯示 FLASH 的液相送往 SPLIT2，氣相送往 SPLIT1；兩個分流器各自分出循環物流與外送物流。
(二) 各單元可能功能與操作參數
| 單元 | 可能功能 | 報表可讀取的操作條件 |
|---|---|---|
| PREHEAT | 混合新鮮苯進料、氫氣進料及氣液循環物流，並將物流調整至反應器進料條件。 | R-IN 為 、，總流率 。 |
| REAC | 使苯與氫氣反應，生成環己烷。 | R-IN 為 、；R-OUT 為 、。報表未提供催化劑、停留時間或反應器型式。 |
| FLASH | 冷卻並分離反應器出口物流，產生液相 LIQ1 與氣相 VAP1。 | 出口物流均為 、。LIQ1 為液相，；VAP1 為氣相，。 |
| SPLIT2 | 將 LIQ1 分成 CFEED 外送物流與 LIQREC 液相循環物流。 | LIQ1：；CFEED：；LIQREC：。 |
| SPLIT1 | 將 VAP1 分成 PURGE 排放物流與 VAPREC 氣相循環物流。 | VAP1：；PURGE：；VAPREC：。 |
PREHEAT 的具體加熱量、升壓方式與單元內壓降，無法由本表確定；REAC 的溫度與壓力是進出口狀態，不足以判定反應器型式或反應動力學參數。
(三) 整體質量平衡
第 二 題40 分
設計一個放熱反應的連續攪拌槽反應器（CSTR），相關描述如下：
(一) 為移除反應熱，CSTR 內裝有冷卻蛇管與熱電耦，量測到的溫度訊號送到一溫度指示控制器（TIC）。此 TIC 依量測到的溫度與設定值（set point）之差異，採用 PID 控制邏輯，控制冷卻水之進口流量。
(二) CSTR 內裝有差壓計，液位差壓訊號送到一液位指示控制器（LIC）。此 LIC 依量測到的液位與設定值之差異，採用 PID 控制邏輯，控制 CSTR 之出口流量。
在穩定（steady）操作的情況下，可得到所要的轉化率（conversion）。如果操作不當，會發生失控反應（runaway reaction），使 CSTR 內反應液溫度上升。溫度上升會提高反應速率常數（rate coefficient），使反應速率變得更快，又放出更多的反應熱。此失控的連鎖反應會使 CSTR 之溫度過高，CSTR 內之液體會汽化，導致壓力變大而有反應器爆炸的危險。
應對策略如下：
甲、CSTR 內可裝設另一熱電耦。當此溫度超過最大設定值時，流量指示控制器（FIC）送出訊號，驅動電磁閥，將進入 CSTR 內之原料 A 緊急關閉。一旦原料 A 不再進入 CSTR 內，當 A 被消耗殆盡後，反應自然停止，就不會有壓力過高而爆炸的危險。
乙、另一個安全上的設計是在 CSTR 上加裝一個洩壓閥。當 CSTR 內壓力超過最大設定值時，洩壓閥會開啟將反應器洩壓，也可以避免發生爆炸的危險。
問題：
(一) 畫出題目所描述之反應系統流程圖，應標示題目所述或必需之元件、管線及名稱。（20 分）
(二) 畫出頂頭事件（Top event）為反應器爆炸的失誤樹，內含 AND 與 OR。（20 分）
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核心觀念
本題考查程序設計中的儀表與控制流程圖（P&ID），以及用**失誤樹分析（Fault Tree Analysis, FTA）**表示事故成因的邏輯關係。
P&ID 要呈現設備、管線、量測儀表、控制器、控制閥及安全裝置之間的關係。失誤樹則由頂頭事件往下分析：若某事件由任一原因造成，使用 OR 門；若必須同時具備多個條件才會造成事件，使用 AND 門。
解題方法
（一）反應系統流程圖
先依題意畫出物料流向，再標示控制迴路與保護裝置：
- 原料 A 經緊急切斷閥進入 CSTR；反應液由出口管線排出。
- 冷卻水流經 CSTR 內的冷卻蛇管，以移除反應熱。
- 熱電耦量測反應器溫度，將訊號送至 TIC；TIC 以 PID 控制冷卻水進口流量。
- 差壓計量測液位，將訊號送至 LIC；LIC 以 PID 控制反應器出口流量。
- 另一支熱電耦作為高溫保護感測器；達到高溫設定值時，經 FIC 發出訊號，使原料 A 緊急切斷閥關閉。
- 反應器另裝洩壓閥；壓力超過設定值時，洩放反應器內流體。
以下為符合題意的文字版流程圖；訊號線以虛線表示，製圖時可將其畫成儀表訊號線。
┌──────────────────────────┐
原料 A ──→ [緊急切斷閥] ──→│ │──→ 反應液出口 ──→
▲ │ CSTR │ │
┆ │ │ ▼
[FIC／切斷邏輯] │ [冷卻蛇管] │ [出口控制閥]
▲ │ ↑ 冷卻水入口 │ ▲
┆ │ └───────────────→ │ ┆
高溫熱電耦 │ │ ┆
└──────────────────────────┘ [LIC（PID）]
▲ ▲ ▲
┆ ┆ ┆
溫度熱電耦 差壓計（液位） ┆
┆ └──────────────────────────────┘
▼
[TIC（PID）]
┆
└────────→ [冷卻水流量控制閥]
▲
│ 冷卻水入口
CSTR 頂部 ──→ [洩壓閥] ──→ 安全洩放端
圖中 TIC 控制冷卻水入口流量；LIC 控制反應器出口流量；高溫保護迴路關閉原料 A 進料；洩壓閥則在高壓時提供洩壓路徑。題目未指定洩放端位置與型式，圖示只表示洩壓閥將流體導向安全洩放端。
（二）以反應器爆炸為頂頭事件的失誤樹
失控反應會使溫度升高、反應速率加快並持續放熱；高溫造成液體汽化，壓力隨之升高。故反應器爆炸需同時具備：
- 反應器壓力升至危險程度；以及
- 洩壓保護未能有效降低壓力。