化學工程 103 年輸送現象與單元操作考古題

請試述下列問題：（每小題6 分，共30 分）  何謂NPSH（net positive suction head）及空化現象（cavitation）？於離心泵啟動 時如何避免cavitation 現象之發生？  過濾常分類為濾餅過濾（cake filtration）、顆粒床過濾（deep bed granular filtration）及掃流過濾（crossflow filtration）等三種，試說明這三者之過濾機制與 應用對象上的差異。  試說明輻射熱傳之視角係數（view factor）Fij 的物理意義及何謂兩物體表面間之 淨輻射熱傳（net radiation between two surfaces）。  試說明吸附床操作之貫穿曲線（breakthrough curve）及質量傳送區（mass transfer zone）之定義。  試說明蒸餾操作中，相對揮發度（relative volatility）、Murphree 效率（efficiency）及關鍵 成分（key component）等三者之定義。

請推導連續方程式（equation of continuity） ) ( v t ρ ρ ⋅ ∇ − = ∂ ∂ ，並清楚定義符號及假設。 （20 分）

牛頓流體（Newtonian fluid）沿著垂直圓柱管外壁緩慢流下。圓柱管外壁半徑為R， 液膜厚度為(a-1)R（液膜最外圍至圓柱管中心軸距離為aR）。請求解液膜之流場。 （20 分）

有一截面積4m2 之槽桶其底部開了直徑0.05m 之圓孔，如槽內液體初始高度為 2m，然後開啟圓孔蓋使液體排出，試估槽內液體完全排出所需時間。（15 分）

在恆溫下以活性碳吸附含有苯甲酸之水溶液，實驗條件如下：水溶液體積為0.25 公 升，苯甲酸起始濃度為485 mg/L，活性碳添加量為0.1～2.0 g 時，達吸附平衡之後 苯甲酸濃度如附表所示。 請畫出吸附等溫線。（10 分） 並以朗繆爾（Langmuir）吸附模式分析。（10 分） 實驗編號 活性碳添加量（g） 吸附後苯甲酸之濃度（mg/L） 1 0.1 404 2 0.2 324

一風扇將靜止之空氣送入長達45 m 之200 mm × 300 mm 長方形管道。進入管道之 空氣為15℃及750 mm Hg 絕對壓力，流量為0.6 m3/s。此時空氣之黏度（viscosity） 為0.019 × 10-3 kg/m．s。所需之理論功率（theoretical power）為何？空氣之分子量 可視為29。1 kg-mol 氣體在標準狀態下之體積為 22.4 m3。對於平滑之管子而言：在 層流（laminar flow）時，泛寧摩擦係數（Fanning’s friction factor）f = 16/Re；在紊 流（turbulent flow）時，f = 0.046 Re-0.2，其中Re 為雷諾數（Reynolds number）。 （20 分）

茲有內徑0.1m，壁厚0.004m 之鋼管（熱傳導率(thermal conductivity)， k= 40 W/m‧K），用於輸送120℃蒸氣，為降低此蒸氣管的熱損，於管外包了0.01 m 厚之絕熱材料（k= 0.15 W/m‧K），如絕熱層外之氣體溫度為20℃，而絕熱層表面 與氣體間之熱對流係數（heat transfer coefficient）為5.0 W/m2‧K，管內蒸氣流之熱 對流係數為45 W/m2‧K，試求每單位管長之熱損失速率[W/m]。（15 分） 120oC 蒸氣 20 oC 空氣 絕熱層，k= 0.15 W/m‧K 0.1 m 0.01m 0.004m 103年特種考試地方政府公務人員考試試題 全一張 （背面） Gas out Liquid in Liquid out Gas in Feed rate: 5 kg mole/s‧m2 0.5 % H2S Packed bed

0.3 246

一逆向流（countercurrent flow）之殼管式熱交換器（shell-and-tube heat exchanger） 將2,500 kg/h 之油從160℃降溫至80℃以下之溫度。流進管內之冷水溫為20℃，流 量為4,000 kg/h。此熱交換器基於管外表面積之總熱傳係數（overall heat transfer coefficient）為960 W/m2℃，管子之外表面積為4.1 m2。油之比熱為0.72 cal/g℃； 水之比熱為1 cal/g℃。此熱交換器中之油及水之出口溫為多少？（1 cal = 4.1868 J） （25 分）

有一離子交換樹脂粒子（ion-exchange bead ）之填充床，擬以20 ℃水反洗 （backwashing ）方式移除粒子上之積垢物。若這樹脂粒子為球形狀，粒徑 0.001m，密度1500 kg/m3，粒子床高1.5m，粒子床孔隙度（porosity）0.4。而20℃ 水之密度為1000 kg/m3，黏度為1.0 cp（=10-3 kg/m‧s）。試求：  其最小流體化速度（minimum fluidization velocity）。（10 分）  使粒子床膨脹20%時所需之流體速度。（10 分） 備註：流體流過小顆粒填充床之壓降關係式

0.4 169

回答下列問題： 對於一圓球表面與外界流體之熱傳可以下列公式描寫： Nu = 2.0 + 0.60 Re1/2 Pr1/3 其中Nu 為紐塞數（Nusselt number），Re 為雷諾數（Reynolds number），Pr 為 普朗特數（Prandtl number）。請問對於一樟腦圓球在空氣中揮發之質傳相對應公 式為何？（5 分） 請解釋質傳中之雙膜理論 （two-film theory）。（5 分）

於溫度30℃，壓力1 大氣壓，擬設計逆向流（countercurrent flow）操作之填充塔 （packed bed），以胺（Ethanolamine, ETA）水溶液吸收含0.5% H2S 之空氣流， H2S 之吸收去除率設定為90%。進料胺水溶液中不含H2S，此吸收塔每單位截面積 之氣流進料速率為5kg mole/s‧m2。已知H2S 與胺水接觸之平衡關係為y = 2x， 且此吸收塔總質傳送能力係數（Overall mass transfer capacity coefficient） Kya = 6 kg mole/m3‧s‧mol frac.。  試求最小之胺水進料速率需求量（minimum molar flow rate of ETA solution， kg mole/s‧m2）。（10 分）  若胺水進料量比其最小需求量多1 倍，試估所需之塔高。（10 分） 備註：對於稀濃度進料之氣體吸收，其吸收塔高度之關係式  lm a b y y y y y y y y a K G y y dy a K G z b a * *       "單位換算"供參考 Viscosity Pressure Gravitation Acceration 1 cp=10-3 kg/m‧s 1 atm =1.0133×105 N/m2 1 g= 9.8 m/s2 3 2 2p ) 1( D μv 150 L P     

0.6 51

在含有7 個篩盤（sieve tray）之塔內，一稀釋（dilute）氨（ammonia）之水溶液經 與空氣逆向流（countercurrent flow）接觸將氨氣提（air stripping）。平衡關係式為 ye=0.8xe。當空氣之莫耳流量（molar flow rate）為水溶液莫耳流量之1.5 倍時，90% 之氨可被移除。請問此塔之理想階數（ideal stages）為多少？階效率（stage efficiency）為何？（25 分）

0.8 15

1.0 9.2

1.2 5.6 9 1.5 4.2 10 2.0 2.5 三、以三種具有不同熱導係數（KA, KB, KC）所組成之板狀材料，在一熱傳實驗量得其穩 態溫度分布如附圖，請討論並解釋： （KA, KB, KC）之相對大小。（10 分） （q2", q3", q4"）之相對大小。（10 分） T A B C x 1 2 3 4 q2" q3" q4" 103年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、第二次 食品技師考試暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 全一張 （背面） 四、請依下列各題之敘述，指出其錯誤並加以更正： 關於蒸餾（distillation）塔之敘述：（12 分） 蒸餾塔進料位置以下的可稱為rectifying（精餾）section。 所謂的q-line 其截距代表著進料的狀態。 迴流比（reflux ratio）與建塔硬體成本呈正向關係。 關於氣提（stripping）之敘述：（8 分） 是指物質由氣相傳遞至液相。 與蒸發（evaporation）是指同一單元操作。 關於平板上邊界層的厚度之敘述：（12 分） 紊流（turbulent flow）時速度邊界層厚度約大於熱傳邊界層厚度。 速度邊界層厚度總是比熱傳邊界層厚度大。 速度邊界層厚度與熱傳邊界層厚度的相對大小與雷諾數（Reynolds number）有關。 在單元操作及輸送現象之敘述：（8 分） 熱傳中的熱擴散係數（thermal diffusivity）類似於流體力學中的黏度（viscosity）。 熱傳中的舒密數（Schmidt number）類似於質傳中的捨伍德數（Sherwood number）。