114 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

本題考 Aspen Plus® 內建單元模組（block）的圖示辨識。判斷時看設備外形、內部構造，以及進出口配置：反應器圖示常以槽體表示；熱交換器會顯示兩側流體通道；精餾塔則常畫出塔頂冷凝器與塔底再沸器。

解題方法

（一）圖示為直立反應器，內有交叉填充狀構造，並有進料與產物流向，對應管式反應器 RPlug。

（二）圖示為臥式殼管式設備，具有兩側流體進出口，對應熱交換器 HeatX。

核心觀念與解題方法

本題考查「鈣循環捕獲二氧化碳」流程的物料與熱量方向。讀流程圖時，先沿箭頭辨認外部進料、循環固體與排出物流，再依兩個主反應判斷反應熱及操作溫度。

Carbonator 中，氧化鈣與煙道氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣；Calciner 中，碳酸鈣受熱分解成氧化鈣與二氧化碳。氧化鈣循環使用，達到捕獲及分離二氧化碳的目的。

各小題詳解

（一）該程序入料為何？

主要製程進料是含二氧化碳的煙道氣，以及供循環使用的氧化鈣吸收劑。圖中另有煤與空氣作為供熱系統的外部進料：空氣分離後提供氧氣，煤與氧氣在 Combustor 中燃燒，產生供 Calciner 使用的高溫氣體。

（二）Carbonator 內是吸熱還是放熱反應？

Carbonator 的反應為：

$\mathrm{CO_2+CaO\rightarrow CaCO_3}$

此反應是放熱反應。依標準生成焓估算，反應焓約為 $-178\ \mathrm{kJ/mol}$；負號代表反應釋放熱量。

（三）Calciner 需要外部供熱能，問此處供熱方式？

Calciner 中碳酸鈣分解需要熱能。依圖示，煤與分離所得的氧氣送入 Combustor 燃燒，產生高溫燃燒氣體，再將熱量供給 Calciner。這是以氧氣燃燒供熱的方式；圖中標示的 heating gas 即為供熱氣流。

核心觀念

CO₂ methanation 是以氫氣還原二氧化碳，生成甲烷與水的反應，又稱 Sabatier 反應。本題重點是辨認反應名稱、寫出固定床催化反應程序的基本流程，並說明氫氣與熱源的碳排條件。

反應會放出大量熱；工業流程通常需要控制反應溫度，並回收反應熱。要達到淨零排放，不能只看反應器本身，還須考量氫氣製造、供熱、二氧化碳來源，以及甲烷最終使用時的碳排。

解題方法

（一）中文名稱

$\mathrm{CO_2}$ methanation 中文稱為 二氧化碳甲烷化，亦可稱為二氧化碳甲烷化反應。

（二）固定床反應器簡易設計流程圖

以下以催化固定床為核心，列出進料調整、反應、冷卻分離及未反應氣體回收等基本單元：

CO₂ 原料 ──→ CO₂ 壓縮 ──┐
 ├─→ 混合器 ─→ 預熱器 ─→ 固定床催化反應器
H₂ 原料 ───→ H₂ 壓縮 ──┘ │
 ↓
 反應氣冷卻器
 ↓
 氣液分離器
 ↙ ↘
 水（冷凝液）排出／處理 氣體分流
 ↙ ↘
 未反應氣體回收循環 產品氣純化
 ↓
 合成天然氣（SNG）

固定床反應器內裝填甲烷化觸媒，常見觸媒包含鎳系觸媒。因反應放熱，實際設計也會搭配反應溫度控制、反應熱回收或多段反應與中間冷卻，避免床層局部過熱。

（三）反應器內總反應式

總反應式為：

此反應為放熱反應，標準反應熱約為：

式中係數也提供快速檢核：1 mol $\mathrm{CO_2}$ 需要 4 mol $\mathrm{H_2}$，生成 1 mol $\mathrm{CH_4}$ 與 2 mol $\mathrm{H_2O}$；碳、氫、氧原子數均守恆。

（四）達成淨零排放的氫氣與供熱條件

核心觀念

本題考查累積現金流圖的判讀與淨現值（NPV）計算。縱軸表示累積現金流，零線以上代表累積現金流為正，零線以下代表尚未回收的投資支出。

解題方法

沿著現金流曲線判讀各點：

• 曲線由 A 點開始下降，至 C 點達到最低處，表示累積現金流缺口最大。因此 C 點代表最大投資額，也就是達到損益兩平前所需的最大資金。
• 曲線由負值上升，在 D 點回到零線。D 點是損益兩平點，對應的時間為回收期間（pay-back time）。
• D 點之後，曲線位於零線以上，圖中以 E 標示該正值區域；這代表累積現金流已轉正，為淨獲利部分。

若將第 $n$ 年現金流記為 $CF_n$，以年利率 $i$ 折現，且 F 點為第 $t$ 年，則 NPV 為各期現金流折現值的總和：