化學工程 110 年程序設計考古題

恆溫反應 2 A + B C 在一個容積不變的批次反應器中進行。其反應速率式為 r = k CA CB 其中，k = 9.92 x 10-3 m3/kmol-s。反應之初始狀況為CA0 = 0.12 kmol/m3， CB0 = 0.08 kmol/m3. 請回答下列問題： 此反應會先用盡的化合物（limiting reagent）為A 或B？（5 分） 此limiting reagent 達到95%反應率所需之時間。（10 分） 若C 可以與A 繼續反應生成其他副產物，C + A D，D + A E。 如希望提高C 的選擇率（selectivity），應採何種方式改善？（請以定 性方式說明）（5 分）

工廠有一熱流（hot stream 1：Hs1）需從350℃降溫至150℃。有兩冷流 （Cs1 及Cs2）各需從50℃加溫至100℃及從140℃加溫至190℃。其熱含 流量（heat capacity flow rate = 重量流量x 熱含= KJ/s）分別為100(Hs1) 及200(Cs1 及Cs2)。 請分別說明下列圖一所示之兩種換熱順序，所需之總熱傳面積。假設 總合熱傳係數皆為150（KJ/m2-s℃）。（20 分） 從以上之結果，換熱器效率（以換熱面積而論），冷熱流接觸之順序有 何可遵循之規律？（5 分） 350℃ 150℃ Hs1 Cs1 Cs2 100℃ 50℃190℃ 140℃ 350℃ 150℃ Hs1 Cs2 Cs1 190℃ 140℃100℃ 50℃ 圖一

一個單效蒸發器用來濃縮進料量為7 kg/s 之水溶液，將其從10 %固含量 濃縮至50 %固含量。使用205 kPa 之蒸汽，蒸發器內之壓力13.5 kPa。 假設蒸汽以飽和液體凝結，進料液體之溫度為294 K，總熱傳係數為 9 kW/m2-K，液體之比熱為3.56 kJ/kg-K。請參考所附之蒸汽表，計算： 產品（即50%固含量溶液）與移除水分的量，蒸汽所需提供的熱能。（10 分） 所需之熱傳面積及蒸汽之用量。（10 分） 蒸汽之效度（economy）為何？（5 分） 蒸汽表 Absolute pressure (kPa, kN/m2) Temperature (℃) Specific Enthalpy of Liquid - hl - (kJ/kg) Vaporization - he - (kJ/kg) Steam - hs - (kJ/kg) 0.8 3.8 15.8 2493 2509 2.0 17.5 73.5 2460 2534 5.0 32.9 137.8 2424 2562 10.0 45.8 191.8 2393 2585 20.0 60.1 251.5 2358 2610 28 67.5 282.7 2340 2623 35 72.7 304.3 2327 2632 45 78.7 329.6 2312 2642 55 83.7 350.6 2299 2650 65 88.0 368.6 2288 2657 75 91.8 384.5 2279 2663 85 95.2 398.6 2270 2668 95 98.2 411.5 2262 2673 100 99.6 417.5 2258 2675 101.33(1) 100 419.1 2257 2676 110 102.3 428.8 2251 2680 130 107.1 449.2 2238 2687 150 111.4 467.1 2226 2698 170 115.2 483.2 2216 2699 190 118.6 497.8 2206 2704 220 123.3 517.6 2193 2711 260 128.7 540.9 2177 2718 (1)大氣壓力

化工廠常見高聳的燃燒塔，是工業安全的設施之一。請說明其用途、構 造及設計之原理（高度）。（15 分）

製造氨之製程中（見圖二），氫與氮氣按照所需比例3：1 混合進入反應 器。反應器之轉化率為25%。生成之氨在冷凝器中回收，未反應的反應 物送回反應器。在進料中含有氬氣，其含量為每100 mol（氫+氮）進料 氣中含0.2 mol 氬氣。由於回流操作會累積氬氣，氬氣在反應系統中，最 高限度為在每100 mol（氫+氮）中含5 mol 氫氣。所以有一定量的回流 氣體需要排除。請計算下列問題： 回流比（recycle ratio, R/F）。（6 分） 排除率（purge ratio, P/R）。（6 分） （F, R, P 均為氫+氮之莫耳流量） 每100 mol 氫+氮進料可生成之氨量。（3 分） 進料F 75 mol H2 25 mol N2 0.2 mol Ar 轉化率25% 圖二 排除P 回流R NH3 冷凝器 反應器