化學工程 106 年輸送現象與單元操作考古題

如圖1 所示，平板a 熱傳截面積10 m2，厚度為100 mm，T1 為280℃，T2 為220℃， 假設此平板熱傳係數在100℃為0.01 W/m．K，500℃為0.15 W/ m．K，試求通過平 板的熱通量。（15 分） 在圖1 有五種不同材料（a、b、c、d、e），當通過不同材料的平板之熱通量為恒定 時，其溫度曲線如圖1 所示，請問何種材料最適合做散熱片？（5 分） 圖1

回答下列問題：（每小題6 分，共30 分）  請試述旋風分離器（cyclone）之構造並說明其捕集粒子（particles）之機制。  試由（a）速度分布及（b）壓降與平均速度之定性關係等比較牛頓流體於管內流動 時層流（laminar flow）與紊流（turbulent flow）兩者之差異。  對於板式塔（plate column），何謂總括板效率（overall plate efficiency）及莫非效率 （Murphree efficiency）？並比較這兩效率值。  何謂鰭片效率（fin efficiency）？於熱交換器中，鰭片皆添置於熱傳係數較低的那 一側，試說明其原因。  於設計或操作填充式吸收塔（packed towers for absorption）時，何謂最小之液- 氣比（minimum liquid-gas ratio, (L/G)min）？一般操作其合適之液-氣比約為 (L/G)min 之多少倍呢？

請回答下列問題： 試詳述離心泵（centrifugal pump）操作時的氣縛（air bound）與孔蝕（cavitation） 現象，並說明避免方法。（10 分） 試詳述雷諾類似律（Reynolds analogy）與契爾頓-柯爾本類似律（Chilton-Colburn analogy）。（10 分）

吾人想將一個2 公升的反應槽放大至2000 公升反應槽，限制條件反應槽高度和槽體 直徑比為2。2 公升槽之攪拌葉直徑為3.24 cm，攪拌速度500 rpm，試求在設計條件 ⑴固定攪拌葉尖端速度（constant impeller tip speed）及⑵固定雷諾數（constant Reynolds number）下2000 公升反應槽的攪拌速度？（20 分）

於攪拌操作，影響攪拌翼（impeller）所需功率（power）P[J/s]的主要變數有：攪拌 翼的直徑D [m]、攪拌翼之轉速（角速度）n [1/s]、液體的密度ρ[kg/m3]、液體的黏 度μ[kg/m.s]及重力加速度g [m/s2]等。試推導決定該攪拌系統功率之無因次群 （dimensionless groups）。（10 分）

有一離心泵在1800 rpm 轉速下操作時，揚程（head）為200 ft，輸入功率（power input） 為175 hp，容量（capacity）為3000 gal/min。若泵的轉速降低到1200 rpm，則其揚 程、容量和輸入功率有什麼影響？如果離心泵葉輪直徑從12 吋變為10 吋，而轉速 保持恆定在1800 rpm，這些變量會有什麼變化？（20 分）

請依下表描述不同分離方法填入其不同的特性，按此表內容相對位置繪於試卷上作 答。（20 分） 分離 方法 進入相 （phase） 分離驅動力 （separating agent） 加入可能相 分離原理 蒸餾 L and/or V 熱傳或作功 V or L 不同揮發度 氣提 吸收 萃取 結晶 薄膜 106年特種考試地方政府公務人員考試試題 全一張 （背面） 等 別： 三等考試 類 科： 化學工程 科 目： 輸送現象與單元操作

考慮一牛頓液體（黏度為3 cp、密度為900 kg/m3）以平均速度0.05 m/s 流入內徑為 0.1 m 之圓管中，於該管路系統中有一總長為15 m、內徑為0.02 m 之側管（bypass）， 於側管區段直徑0.1 m 之主管長度為10 m。假設所有管子均為水平置放且側管之流 體入口及出口處因收縮及擴張的摩擦損失（frictional loss in contraction and expansion） 可忽略，試估算有多少比率之進料液體會流經側管。（20 分） 備註：管內流體為層流（laminar flow）流動時，其范寧摩擦係數（Fanning friction coefficient）與雷諾數之關係為f = 16/Re，而為紊流（turbulent flow）流動時， 則f = 0.05 Re-1/5。 0.05 m/s 主管 10 m 內徑＝0.1m 0.02m 側管(bypass) 總長＝15 m 106 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） 等 別 ：高等考試 類 科 ：化學工程技師 科 目 ：輸送現象與單元操作

以填充塔洗滌含有空氣和氨的氣體混合物。氣體以20 moles/hr 流量進入塔，氨的 莫耳分率（mole fraction）為0.005。水流量為20 moles/hr。塔直徑為2 ft，高4 ft。 在25℃和1 大氣壓下操作。填充材為1/2 吋拉西環（Raschig rings）。對於該填料和 氨-空氣系統，總氣壓為1 atm 時，HG = 5.31 G0.1 L-0.39，HG 單位為ft，G 和L 分別為 氣體與液體流通量，單位為lb/hr-ft2。平衡關係由P = x 表示，其中P 是氨分壓（atm）， x 是莫耳分率。若忽略水蒸氣，且假設氣膜控制質量傳送。試估算不同操作程序時， 氨的回收率（%）： 逆流操作時。（10 分） 平行流操作時。（10 分）

在蛋盒製程中當蛋盒成型後含水量為75%，需將產品送進加熱爐中烘乾（圖2），使 內含水量達適當比例。今有一紅外線加熱爐可加熱5000 W/m2，如輸送帶進入加熱爐 之滯留時間18 sec，紙盒之暴露面積0.0625 m2，質量為0.22 kg；水之蒸發熱為 2400 kJ/kg，若欲將蛋盒含水量由75%降至65%。而你的主管同意採購此加熱器，你 的意見如何？（20 分） 圖2

考慮一半徑為R 且內部有熱產生之長圓柱體（cylindrical rod），其單位體積內之熱產 生速率，  3 s.m / J q ，隨徑向而變化可表示為 R r   q ，其中為常數，若圓柱周遭環 境流體之溫度為T∞，圓柱表面與流體間之熱對流係數（heat transfer coefficient）為h， 而圓柱內部之熱傳導係數（thermal conductivity）為k，試推導圓柱體內之溫度分布。 （20 分）

如圖示平行流向（parallel flow）雙套管熱交換器，外管的冷凝蒸汽（condensing steam） 將內管壁溫度保持在To。基於初始溫度差可利用Sieder-Tate 經驗式計算熱傳係數： Nu = 0.023(Re)0.8(Pr)0.3 式中Nu 為納瑟（Nusselt）數、Re 為雷諾（Reynolds）數、Pr 為普蘭多（Prandtl）數。試就下列狀況分別評估溫度差Tb2-Tb1 作何變化？ 內管直徑增為二倍，同時保持原質量流率（G）和管長度。（10 分） 質量流率增為二倍，同時保持原內管直徑和管長度。（10 分）

有五種化合物及其進料流速如下：propane(C3, 45 kgmol/hr)、isobutane(iC4, 130 kgmol/hr)、 n-butane(nC4, 226 kgmol/hr)、isopentane(iC5, 181 kgmol/hr)和n-pentane(nC5, 317 kgmol/hr)。 擬以簡單常壓蒸餾塔進行分離，進料壓力為1.8 MPa，進料溫度為38℃，回收各化合 物純度需達98%以上，其相對揮發度為C3/iC4 = 3.6，iC4/nC4 = 1.5，nC4/iC5 = 2.8， iC5/nC5 = 1.35：有幾種蒸餾塔組合可以分離此五種化合物？（10 分）依題意最 有可能簡單組合為何？並標明每個蒸餾塔產物。（10 分） 紅外線加熱器 輸送帶 蛋盒

將液體霧化成微細液滴分散於氣相中，提高蒸發速率是增濕操作方式之一。現有直 徑Do 之微細水滴分散於壓力P 及溫度T 之空氣中，於該氣相中水蒸氣的分壓為Pw， 而該溫度下之水飽和蒸氣壓為Psat，若水蒸氣分子於氣相中之擴散係數（diffusion coefficient）為DAB，試預估該液滴全部蒸發所需的時間。假設空氣不溶於水滴，且 水滴蒸發過程中，氣相中水蒸氣的分壓及液滴表面之溫度皆維持於上述之條件。 （20 分） 備註：推演過程中，液體之分子量及密度請分別以M 及之符號表示。 附件 單位及轉換（Unit and Conversion factors）供參考 力 ：1 N =1 kg.m/s2 黏度：1 cp = 1x10-3 kg/m.s 壓力：1 atm = 1.01325x105 N/m2 重力加速度：1 g = 9.8 m/s2 能量：1J = 1 N.m R r T∞ h Do Pw 水滴 空氣 P T

有一2 吋直徑排氣管，在底部儲有正辛烷。管道出口距離液面5 ft。溫度為31.5℃， 總壓力為1 atm。正辛烷在31.5℃的蒸汽壓為20 mmHg。空氣吹過排氣管道的頂部， 致管道頂部的正辛烷濃度可忽略不計。正辛烷的爆炸下限為1.0%（體積）。在31.5℃ 的空氣中正辛烷的莫耳擴散係數（CDAB）為0.577×10-3 lbmole/ ft．hr。 試計算正辛烷的蒸發速率是多少？（10 分） 距離管道頂端多遠處正辛烷濃度達到爆炸下限。（10 分） G To To Tb1 Tb2