化學工程 100 年輸送現象與單元操作考古題

一單效蒸發罐（single-effect evaporator）進行濃縮操作，擬將一進料流量為6000 kg/h 之溶液從溶質組成10 wt%（重量百分比）濃縮至25 wt%之濃縮產物。進料溶液之 溫度為20ºC，在蒸發罐內操作壓力為15.3 kPa，而用於提供加熱之熱源為101.32 kPa 下之飽和蒸汽。此蒸發罐內之總括熱傳係數為2000 W/m2-K，假設溶液沸點上升可 以忽略，進料溶液之比熱為4.06 kJ/kg-K。請問此濃縮操作中： 需要之飽和蒸汽流量為何？（15 分） 蒸發罐內之熱傳面積需要多少m2？（5 分） 從蒸汽表得知：在15.3 kPa下，水之沸點為54.3 oC，飽和蒸汽潛熱（latent heat）為 2372.4 kJ/kg；在101.32 kPa下，水之沸點為100 oC，飽和蒸汽潛熱為2257.1 kJ/kg。

有一離心幫浦（centrifugal pump）用於輸送某流體，輸送流量為0.125 m3/s。在幫浦 之吸入端，管內徑為0.154 m，壓力讀數為低於大氣壓22.5 kPa；在排出端之管徑為 0.128 m，且排出口高於吸入口有3.50 m，出口壓力讀數為高於大氣壓222.5 kPa。 假設流體密度為1000 kg/m3，黏度為0.001 kg/m-s，管線摩擦損耗可忽略。請問幫 浦輸出之功為多少kW？（20 分）

有一半徑為ri之金屬線，其外緣包覆一均勻厚度之絕緣塑膠層，此時半徑變為ro，即 絕緣層之厚度為ro - ri。金屬線會產生熱，而外界之冷空氣有散熱作用，在穩態（ steady state）下，絕緣層內側表面（與金屬接觸處）之溫度為Ti，絕緣層外側表面 （與冷空氣接觸處）之溫度為To。若此金屬線很長，熱量傳送僅發生於徑向（ radial direction），且絕緣層之熱傳導係數（k）為定值。 請推導出絕緣層內之徑向溫度分布，以ri，ro，Ti及To表示。（10 分） 若ri = 1.0 mm，ro = 2.0 mm，Ti = 350 K，To = 300 K，絕緣層之熱傳導係數（k）為 0.4 W/m-K。請計算每單位長度金屬線對外界之熱傳量為多少W/m？（10 分）

一雙成分混合溶液100 kg mole，其組成為60 mol%之成分A 和40 mol%之成分B。 將此混合溶液置於蒸餾器進行微分蒸餾（differential distillation）操作，當收集得到 之蒸餾產物總量有40 kg mole 時，請問此時： 留在蒸餾器內物料之組成為何？（15 分） 蒸餾產物中成分A 之mol%為何？（5 分） 假設成分A 與成分B 之相對揮發度（relative volatility）為2.0，且在本操作中保持 不變。 100年公務人員高等考試三級考試試題 類 科： 化學工程 全一張 （背面）

有一逆流式多級接觸（counter-current multiple-stage contact）吸收塔進行以純水吸收空 氣中丙酮（A）之操作。氣體進料流量為30 kg mol/h，其中丙酮之含量為1.0 mol%； 純水進料流量為90 kg mol/h。假設本操作在穩態（steady state）下，且丙酮在空 氣-水系統之平衡溶解關係式為：yA = 2.5xA，其中yA及xA分別為丙酮在氣相及水相之 莫耳分率。 若氣體進料中90%的丙酮被吸收至水相中，請計算在氣相出料及水相出料中丙酮 之莫耳分率各為何？需要多少個理想級（theoretical stage）可達到此吸收操作？ （15 分） 此操作中若要達到吸收氣體進料中90%的丙酮之目標，請問純水最少需求流量為 何？（5 分） 附件： 單位轉換及數值： 1 J/s = 1 W 1 Pa = 1 N/m2 重力加速度（g）= 9.8 m/s2 ln 2 = 0.693; ln 3 = 1.099