112 關務升官等考試簡任 技術類（選試化學程序工業研究） 化學程序工業研究 考古題詳解

核心觀念

本題考查化學程序工業如何以循環經濟思維，減少原料與能源消耗、降低廢棄物產生，並讓產品、材料及副產品在製造與使用後盡可能保有價值。核心概念是把線性流程「取用原料、製造、使用、丟棄」，轉變為透過設計、製程改善、回收與再利用，使資源持續循環。

題目沒有指定循環經濟路徑所依據的特定架構。以下依產業製造流程，採「前端設計與製程改善—製造副產物回收—產品使用後回收與循環」的順序作答。

解題方法

先把八個項目分成三個階段：

1. 製造前端：先選擇原料並設計產品，再優化製程。
2. 製程中：回收副產品，減少資源耗損與廢棄物。
3. 產品使用後：分類收集，再依材料狀況進行再利用、再製造或再生利用，形成再生產品。

依此脈絡排序，可以避免將產品使用後的回收工作放到製造之前，也能區分「直接再利用」、「拆解修復後再製造」與「材料回收後再生」等不同循環方式。

各項目分析與路徑順序

1. 原料選擇：製造前選擇可再生、可回收、低毒性或環境負荷較低的原料。
2. 產品設計：設計時考量耐用性、可維修性、可拆解性及可回收性。
3. 製程優化：改善反應條件、設備與能源使用效率，降低原料損失、排放及廢棄物。
4. 副產品回收：回收製程中產生的副產品或未反應物，作為本製程或其他製程的原料。
5. 分類收集：產品使用後，依材質、品質或污染程度分類收集，以利後續循環。
6. 再利用（reuse）：產品或零件經清潔、檢查等處理後，直接再次使用。
7. 再製造（remanufacture）：將使用後產品拆解、檢查、修復或更換零件，恢復到可用狀態。
8. 再生產品（recycled product）：將回收材料加工成再生原料或新產品，重新投入市場或製造流程。

因此，依本題採用的製造流程架構，路徑順序為：

4 → 1 → 3 → 6 → 5 → 7 → 8 → 2

此排序將「再生產品」視為產品使用後，經回收材料再製成的循環成果。循環經濟並非只能單向流動；再生產品仍可再次進入原料選擇、產品設計及製造流程。

化學程序工業循環經濟定義（英文）

**A circular economy in the chemical process industry is an economic system that minimizes the use of virgin resources and the generation of waste by designing chemical products and processes to prevent pollution, improve resource an

核心觀念

本題考查二氧化碳加氫製甲烷的反應名稱、常用反應器、反應路徑與程序的優缺點。此程序也稱為 Sabatier 反應或二氧化碳甲烷化反應，通常以鎳、釕等金屬作為催化劑。

題目所稱的「兩個主要反應」，是指二氧化碳先經逆水煤氣轉化生成一氧化碳，再由一氧化碳加氫生成甲烷的反應路徑。兩式相加，可得整體甲烷化反應。

解題方法

先由原料與產物辨認反應：二氧化碳與氫氣反應生成甲烷，為 Sabatier 反應。此程序通常在裝填催化劑的固定床反應器中進行。

兩個主要反應式如下：

1. 逆水煤氣轉化反應（RWGS）：

此步驟為吸熱反應。

2. 一氧化碳甲烷化反應：

此步驟為放熱反應。

將兩式相加並消去中間產物 $\mathrm{CO}$，得到總反應：

因為總反應焓變為負值，故整體反應為放熱反應。實際反應器須妥善移除反應熱，以控制床層溫度並避免局部過熱。

優點與缺點

優點：

核心觀念

本題考查氫氟酸在半導體與 TFT-LCD 製程中的用途、含氟廢液的鈣鹽沉澱反應，以及氟化鈣的工業應用。氫氟酸能溶解二氧化矽及矽酸鹽；廢液中的氟則可用氫氧化鈣轉成難溶的氟化鈣沉澱，藉由固液分離回收。

解題方法與反應式

（一）氫氟酸溶液的產業功能

**半導體產業：**氫氟酸主要用於晶圓表面清洗與蝕刻，去除自然氧化層、二氧化矽介電層及部分矽酸鹽污染物。稀釋氫氟酸常用於去除晶圓表面的薄氧化層；緩衝氧化層蝕刻液則可用於較穩定地蝕刻二氧化矽。

**TFT-LCD 產業：**氫氟酸用於玻璃基板與薄膜製程中的蝕刻、清洗，尤其可去除玻璃或膜層表面的二氧化矽及矽酸鹽成分，也可配合其他酸液用於特定薄膜或玻璃表面處理。實際用途依製程層別及配方而異。

（二）以氫氧化鈣處理含氟廢液並分離氟化鈣

將廢液加入氫氧化鈣溶液，主要反應如下：

氫氟酸中和並生成氟化鈣：

六氟矽酸與氫氧化鈣反應，生成氟化鈣及二氧化矽：

六氟矽酸也可視為先解離，再由鈣離子沉澱氟離子；總反應與上式相同。配平時，$H_2SiF_6$ 提供 6 個氟原子，因此生成 3 莫耳 $CaF_2$；矽則以 $SiO_2$ 形式析出。

核心觀念

水氣轉移反應（water–gas shift reaction）是氣相平衡反應：一氧化碳與水蒸氣反應，生成二氧化碳與氫氣。題目給定的是以分壓表示的平衡常數 $K_P$；需先代入操作溫度求 $K_P$，再由進料重量換算莫耳數，依反應化學計量建立平衡組成並求轉化率。

解題方法

（一）反應式為：

$\mathrm{CO(g)+H_2O(g)\rightleftharpoons CO_2(g)+H_2(g)}$

（二）以 $100\ \mathrm{g}$ 進料為基準，使用分子量 $\mathrm{CO}=28$、$\mathrm{CO_2}=44$、$\mathrm{H_2O}=18$、$\mathrm{H_2}=2\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$，換算初始莫耳數：

令反應進行程度為 $\xi$（mol），則平衡莫耳數為：

核心觀念

本題考氣化爐內燃料與氣化劑的流向、固體燃料的停留方式，以及氣體與固體的接觸型態。氣化爐以空氣、氧氣或水蒸氣等氣化劑，使含碳燃料在缺氧條件下反應，產生以一氧化碳、氫氣等為主的合成氣。

解題方法

先沿圖判斷燃料、氣化劑、產氣與灰分的進出口，再看燃料是留在爐內形成固定料層，還是被氣流帶動、流化或夾帶。圖中的 (a)、(b) 是固定床的兩種氣流配置；(c) 有爐頂氣體出口與旋風分離器，並帶有固體分離、回流配置，屬循環流化床型式。

各型設計差異