化學工程 104 年輸送現象與單元操作考古題

回答下列問題： ㈠對於內直徑為Di、外直徑為Do 之環狀管（annular tube）及邊長為L 之方形管 （square duct），其水力半徑（hydraulic radius）分別為多少？（6 分） ㈡如何以水力半徑計算相當直徑（equivalent diameter）？（2 分） ㈢在強制對流之系統中，影響熱傳之無因次群為何？（6 分） ㈣在自然對流之系統中，影響熱傳之無因次群為何？（6 分）

空氣流經一填充顆粒（particle）固定床之壓力降 ft /) . in / lb ( 84 L P 2 f = Δ 。空氣之空塔速 度（superficial velocity）為0.015 ft/s，床孔隙度（void fraction）為0.47。空氣之密度 為 1.2 kg/m3，黏度（viscosity）為0.018 mPa · s。顆粒之球狀度（sphericity）Φs為0.7， 密度為4.1 g/cm3。請計算顆粒之平均直徑及單位質量之表面積。（20 分） 尤根方程式（Ergun equation）：

p s 2 0 3 2 2 p 2 s 0 ε ε 1 D Φ V ρ 1.75 ε ε) (1 D Φ μ V 150 L P − + − = Δ 球狀度 Φs = ( 6 Dp )/( sp vp ) 1 ft = 12 in.，1 ft = 0.3048 m，1 lb = 453.6 g，1 g/cm3 = 62.428 lb/ft3， 1 mPa · s = 6.72

10− × lb/ft · s，g = 32.174 ft/s2 = 9.8 m/s2。 三、一同向流（co-current）套管式熱交換器之冷熱流進口溫差為50℃，出口溫差為30℃。 假設比熱及總熱傳係數均為定值，且冷熱流無相變化。假如另一個相同的熱交換器 串聯連接在原來的熱交換器之後，請問最後一個（即第二個）熱交換器之冷熱流出 口溫差為多少？請寫出全部之公式演導過程。（20 分） 四、氣體A 放置於一厚壁之中空球形容器內，厚壁之材質為固體材料B。球形厚壁之內 半徑及外半徑分別為1r 及2r 。氣體A 在固體材料B 中之溶解度為 1 A x （以莫耳分率表 示），且 1 A x 值很小。A 經固體材料B 擴散至球形容器表面後立即被流動空氣帶走， 請求解A 在厚壁中之莫耳分率分布 A x 。（20 分） 104年特種考試地方政府公務人員考試試題 等 別： 三等考試 類 科： 化學工程 科 目： 輸送現象與單元操作

一精餾塔（rectifying column）包含相當於三個理想板（ideal plate）之裝置，其進料 為0.4 mol%氨（ammonia）及99.6 mol%H2O之飽和蒸汽（saturated vapor）。進料板 （feed plate）為由上數下來之第三板。從頂板（top plate）流出之蒸汽被完全凝結， 但未冷卻（totally condensed, but not cooled）。相對於1 莫耳之進料，1.35 莫耳之凝結 液（condensate）被當成回流（reflux）流至頂板，其餘蒸餾液（distillate）則作為頂 部產物（overhead product）。從底板（bottom plate）流出之液體被送至再沸器（reboiler） 加熱。再沸器產生之蒸汽流至精餾塔之底部，而底部產物（bottom product）持續由 再沸器移出。相對於1 莫耳之進料，再沸器產生0.7 莫耳之蒸汽。在精餾塔的操作 範圍內，氣液平衡關係式可以y = 12.6 x 表示。請求解氨在底部產物及頂部產物之莫 耳分率（mole fraction）。（20 分）