108 關務升官等考試薦任 技術類（選試化學程序工業） 化學程序工業 考古題詳解

核心觀念

焦耳－湯姆森膨脹是氣體經過節流閥或多孔塞，由高壓流向低壓的節流過程。若忽略動能與位能變化，節流前後的焓相等：

理想氣體的焓只與溫度有關；比熱為常數時，$h_2-h_1=C_p(T_2-T_1)$。因此理想氣體在焦耳－湯姆森膨脹中溫度不變。

解題方法

已知初態溫度為 $500^\circ\mathrm{C}$，壓力由 $400\ \mathrm{bar}$ 降至 $1\ \mathrm{bar}$。依節流過程的等焓條件：

理想氣體且 $C_p$ 為常數時：

核心觀念

本題考查丙烷不完全燃燒的化學計量，以及以元素守恆計算燃燒後的氣體組成。燃燒產物分別為 $\mathrm{CO_2}$、$\mathrm{CO}$、$\mathrm{H_2O}$，另有未反應的丙烷；空氣中的氮氣視為惰性氣體。題目未指定空氣含水，因此以乾燥空氣計，取空氣中 $\mathrm{O_2:N_2}=1:3.76$。

解題方法

以 $1$ 莫耳丙烷為計算基準，依題意分配反應量：

• $60\%$ 丙烷完全燃燒：$0.60$ mol
• $20\%$ 丙烷生成一氧化碳：$0.20$ mol
• 未燃燒丙烷：$1-0.60-0.20=0.20$ mol

完全燃燒反應式為：

因此，$0.60$ mol 丙烷生成 $1.80$ mol $\mathrm{CO_2}$、$2.40$ mol $\mathrm{H_2O}$，並消耗 $3.00$ mol $\mathrm{O_2}$。

生成一氧化碳的反應式為：

因此，$0.20$ mol 丙烷生成 $0.60$ mol $\mathrm{CO}$、$0.80$ mol $\mathrm{H_2O}$，並消耗 $0.70$ mol $\mathrm{O_2}$。

進料空氣含氧量為：

出口氧氣為進料氧氣扣除反應消耗量：

整理出口各成分：

核心觀念

本題考查 PAN 前驅絲如何經由熱處理，轉變成以碳為主、具有高強度與高模數的連續纖維。製程的核心，是先把熱塑性 PAN 絲轉成耐高溫、不熔融的穩定結構，再於惰性氣氛下熱解、脫除非碳元素，留下沿纖維軸向排列的碳質結構。

PAN 重複單元可表示為 $[-\mathrm{CH_2-CH(CN)}-]_n$。製程中沒有單一固定的總反應式；穩定化與碳化包含多種反應，並會放出水、氨、氫、氮及含碳小分子等揮發物。可將主要步驟概括為：

解題方法：依纖維製造流程分段說明

1. PAN 聚合物與前驅絲製備 以丙烯腈為主要單體聚合成 PAN，通常加入少量共聚單體，以利後續穩定化。將 PAN 溶於適當溶劑製成紡絲原液，經脫泡、過濾後，以濕式紡絲或乾噴濕式紡絲形成連續纖維。纖維經凝固、牽伸、洗滌與乾燥，使分子鏈沿纖維軸向排列，成為 PAN 前驅絲。前驅絲的均勻性、缺陷與分子取向會影響最終碳纖維品質。

2. 氧化穩定化（stabilization） 將前驅絲在空氣或含氧氣氛中加熱，典型溫度約為 $200\text{–}300^\circ\mathrm{C}$，並在張力下維持纖維形狀與取向。此階段主要包括腈基環化、脫氫及氧化等反應，形成具有共軛梯形結構的穩定化纖維。

穩定化的目的，是使 PAN 後續升至高溫時不熔融、不黏結，並能保留纖維形態。環化反應會放熱，故須控制升溫速率、張力及停留時間，避免局部過熱造成纖維損傷。

3. 低溫碳化與高溫碳化（carbonization） 將穩定化纖維送入氮氣或氬氣等惰性氣氛中加熱。

核心觀念

這題考查潮濕環境中的電化學腐蝕。鐵材表面有水膜時，水膜作為電解質；鐵表面不同位置因氧氣供應、表面狀態等差異，形成微小的陽極區與陰極區。鐵在陽極氧化溶解，電子經鐵材流向陰極；陰極則以溶氧還原為主。

解題方法

先分辨兩極反應：陽極發生氧化、陰極發生還原。在中性或弱鹼性的潮濕水膜中，主要反應如下：

陽極：鐵氧化溶解

陰極：溶氧還原

將陽極反應乘以 2，使電子數相同，再與陰極反應相加：

生成的亞鐵離子與氫氧根可形成氫氧化亞鐵：

氫氧化亞鐵再被氧氣氧化，形成氫氧化鐵及其脫水產物，構成常見的紅褐色鏽蝕物。鐵鏽組成並非單一純物質，常以含水氧化鐵概括。

示意圖

核心觀念

本題考查熱交換器的能量平衡。若忽略熱交換器對外散熱，內管水吸收的熱量等於環部水蒸汽凝結所放出的潛熱。

水蒸汽凝結成同溫凝結水時，不發生顯熱變化，放熱量只計凝結熱：

其中 $m_s$ 為水蒸汽消耗量，$\lambda=2257\ \mathrm{kJ/kg}$ 為 $100^\circ\mathrm{C}$ 水蒸汽的凝結熱。內管水吸收的熱量為：

解題方法

依穩態能量平衡，令蒸汽凝結放熱等於水吸熱：