高考申論題
108年
[化學工程] 化學程序工業(包括質能均衡)
第 一 題
📖 題組：
三、一個從合成氣製備甲醇的程序，其反應式如下： CO + 2H2 CH3OH 反應器之轉化率（conversion）為 15%。未反應之反應物在與產物甲醇分離後，回流反應器，如上圖所示。進料中一氧化碳與氫氣之莫耳比為1：2。若甲醇之產量為 5000 公升/小時，甲醇之比重為 0.78。
三、一個從合成氣製備甲醇的程序，其反應式如下： CO + 2H2 CH3OH 反應器之轉化率（conversion）為 15%。未反應之反應物在與產物甲醇分離後，回流反應器，如上圖所示。進料中一氧化碳與氫氣之莫耳比為1：2。若甲醇之產量為 5000 公升/小時，甲醇之比重為 0.78。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
計算進料及回流的莫耳流速，答案請以（kg-mol/h）為單位。（18 分）
思路引導 VIP
遇到帶有回流（Recycle）的反應程序，先找整體邊界（Overall Boundary）透過產品產出量與化學計量比求得新鮮進料量。接著，將控制體積縮小至反應器（Reactor），利用單趟轉化率（Single-pass conversion）推算總進料量，最後總進料扣除新鮮進料即為回流量。
小題 (二)
若進料中，氫氣過量，例如一氧化碳與氫氣之莫耳比為 1：2.2，上圖中的回流還可以維持程序之穩定操作嗎？為什麼？（2 分）
思路引導 VIP
看到「完全迴流」且「無沖洗流(purge stream)」的程序，必須先檢查新鮮進料成分與反應計量比是否一致。若進料含有過量反應物或惰性氣體，會因無法隨產物排出而在系統內無限累積，進而破壞系統穩態，此為化工質能均衡中判定是否需要設置沖洗流的經典考點。
小題 (三)
進料中一氧化碳與氫氣之莫耳比為 1：2，但含有 0.1 % mol 之 CO2，若欲維持反應器內 CO2 濃度在 1% mol，請問排放（purge）/回流（recycle）之莫耳流量比為何？（5 分）
思路引導 VIP
本題為典型的化學程序質能均衡問題，帶有『回流(Recycle)』與『排放(Purge)』流股。看到此題，第一步應先確立系統邊界並標示各流股組成；第二步需明確定義題目中『反應器內 CO2 濃度』之假設（通常指進入反應器之混合進料 M），利用惰性氣體(CO2)不參與反應的特性進行整體質量平衡，並結合反應器單次轉化率，即可求出排放與回流的莫耳流量比。產量數據可作為驗算或求絕對流量之用。