化學工程 92 年輸送現象與單元操作考古題

2.5 大氣壓，300K 的空氣（粘度為0.018CP）流進一長100 公尺，內直徑 為80 ㎜之平滑鋼管、其為恆溫流動，且其出口壓力為1.25 大氣壓，則空 氣在管中之質量流通量(mass flux)為何？（20 分） 注意： 對恆溫可壓縮流動 Pa 2 - Pb 2 = M 2RTG 2 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ρ ρ + b a ln D fL

有一攪拌良好的貯存槽含有1000 kg 的甲醇水溶液(醇濃度WA = 0.20 質量分率)。固 定流量100 kg/min 的水突然加入槽中稀釋，而甲醇溶液開始以50 kg/min 定流量抽 出，此二流量之物流為連續操作，而且個別維持常數，試推導出槽中甲醇溶液濃度 與時間之關係式，並求甲醇濃度降至5.0 wt%所需的時間。（20 分）

其中Pa 及Pb 是入出口壓力，R 是氣體常數，T 是溫度，G 是質量流通 量，M 是分子量，f 是摩擦因子(friction factor)，L 是管長，D 是管直徑， a ρ 及 b ρ 是流體在入出口之密度。 當5×104＜Re＜106 , f = 2.0 Re 046 .0 。 二、 (Naphthalene)是昇華性固體，試推導 丸懸吊於儲藏室內，穩態昇華條 件下之濃度分佈。假設 蒸氣擴散是通過靜止氣體擴散(Diffusion through stagnant gas)， 丸視作球體，半徑R， 丸表面位置之蒸氣濃度XA = XAe ， XA 是 之莫耳分率濃度，XAe 是 之平衡濃度。距離無限遠處， 濃度為 零。（20 分）

流體為液態金屬(liquid metal)沿一靜止水平板的表面上流動，板寬W，板長L，而且 W >> L，假設在穩態、不可壓縮、等壓力之流動條件下，若屬於該板面之邊界層流 動(boundary-layer flow)範圍內，試以能量均衡微分方程式的建立作為開始，且滿足若 干必需的邊界條件，如下式所示 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 k v v y T C y T x T p y x ρ 其中T 為溫度，k、ρ 、Cp 分別為流體的導熱度、密度及比熱，試以距離平板前沿x 處，推導出適恰的流動流體之局部熱傳係數hx 與流速vx 的關係式。（20 分）

請寫下牛頓流體(Newtonian fluid)在密度及粘度(viscosity)為定值時之運動方 程式(即Navier-Stokes equation)，並敘述各項之物理意義。何謂蜒流(creeping flow)？在蜒流情況下，我們可以對運動方程式作何假設？此種假設適用雷 諾數(Reynolds number)範圍為何？（20 分） 九十二年特種考試地方政府公務人員考試試題 代號： 類 科： 化學工程 考試時間： 二小時 全一張 （背面） 32860

有一化學氣相沉積反應於晶圓上方進行，在高溫900K、低壓100 Pa 之反應器中，且 在反應速率極快的狀態下，反應物擴散到晶圓表面之分子擴散速率將主控半導體矽 的薄膜成長速率，假設矽烷與氫氣以混合氣體（

如圖所示是啟始溫度為To 的各種固體的中心溫度隨傅利葉數(Fourier number)變化的情形。在熱傳過程中，固體表面溫度皆維持在固定溫度Ts。 有一長度為0.1m，直徑為0.1m 的圓柱體(α = 5.95 × 10-7m2/s)，其啟始溫度 為292K。將此圓柱置入溫度為373K 的水蒸氣中，蒸氣在其表面上冷凝且 知對流熱傳係數ｈ為8500W/m2K。試問： 附圖是否適合於求解上述問題。（5 分） 試求圓柱體中心溫度達310K 所需的時間。（15 分）

SiH y = 0.3 莫耳分率）輸入反應器， 並在晶圓上方，通過擴散器而形成一靜止氣相層約厚6 cm，同時進行表面反應，如 圖所示 若已知矽烷在混合氣體中之擴散係數 2 4 H SiH D − = 0.404 m2/s，理想氣體常數8.314 Pa · m3/(g mol · K)，矽晶密度2.32 g/cm3，矽原子量28.09，試估計矽薄膜之成長速率每分 鐘多少微米厚？（計算用參考數值 ln 1.3 = 0.2624）（20 分） 九十二年專門職業及技術人員 考試試題 代號： 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面） 01610 高等考試建築師、技師、不動產估價師 暨普通考試不動產經紀人、地政士 四、混合氣體在一濕壁塔中被吸收出氣體A，A 於氣相之質傳係數為ky=1.465×10-3 kg mol/ （s · m2 · 莫耳分率），A 於液相之質傳係數為 kx = 1.967 × 10-3 kg mol/（s · m2 · 莫耳分 率），已知在 298 K，1 atm 氣液平衡時之亨利常數(Henry constant)為 0.923 莫耳分率 /莫耳分率，試以雙膜理論(two-film theory)作為開始，試推導出濕壁塔中氣體A 分別 基於液相或氣相的總包質傳係數Kx、Ky 的關係式。若在濕壁塔中某處，A 於氣相之 莫耳分率為 0.38，A 於液相之莫耳分率為 0.1，求A 在液體界面之莫耳分率。（20 分）

請指出下列實例中，所涉及的質傳單元操作，並簡單說明。（每小題5 分，共20 分） 機車騎士用的含活性碳口罩 魚缸中打入空氣 濃縮果汁 洗腎/人工腎臟 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 αt/ 2 1x ( T-Ts ) / ( T0 - T s)

試簡要解釋下列名詞：（20 分） 濕壁塔(wetted wall column) 薄膜沸騰(film boiling) 積垢因數(fouling factor) 拖曳係數(drag coefficient)