化學工程 98 年程序設計考古題

在一個高壓高溫甲苯轉化為苯之甲苯加氫脫烷反應製程中，甲苯的轉化率僅有 70%，因此需要設計一個部分冷凝驟沸塔，以分離與回收過剩的氫氣再循環使用。 當反應器出口熱氣體以5597 kg mole/hour 的流量（F），經過冷却水熱交換器降溫 至310.8 K 後，進入耐壓 3344 kPa 的部分冷凝驟沸塔內，以進行產物的氣液相分 離。如果你（妳）設計的部分冷凝驟沸塔進料之四種成分（H, M, B, T）的平衡常 數及莫耳分率如下，試回答下列問題： 成分 平衡常數（Ki） 莫耳分率（Zi） 氫氣（H） 84.15 0.31767 甲烷（M） 11.24 0.58942 苯（B） 0.01233 0.07147 甲苯（T） 0.00454 0.02144 1.00000 如何計算離開冷凝驟沸塔之平衡氣相流量（V）與液相流量（L）？（12 分） 如何計算離開冷凝驟沸塔之平衡液相組成（xi）與氣相組成（yi）？（12 分） 如果進料溫度低於或高於310.8 K，如何計算正確的冷凝驟沸塔溫度（T）、氣相 與液相流量（V, L）及組成（y, x）？（請列出計算的方法與步驟）（12 分） 如何設計一個直立式的部分冷凝驟沸塔之直徑與高度？（請列出設計的方法） （12 分） 試繪此甲苯加氫脫烷反應製程之概念設計流程圖（conceptual design flow diagram）。反應器之進料除了補充氫氣及甲苯進料外，尚有未反應之循環氫氣 及未反應之循環甲苯，而這些循環物都經過一連串之分離過程而來的，主要的 有冷凝驟沸塔、冷及熱交換器、燃料塔、苯塔、重芳香烴去除塔等。（12 分） 98年專門職業及技術人員高等考試建築師、技師、消 防設備師考試、普通考試不動產經紀人、記帳士、第 二次消防設備士考試暨特種考試語言治療師考試試題 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

在使用一套短管蒸發器的操作時，熱交換面積常被蒸氣污物阻塞，造成熱傳係數 隨操作時間的變化如U = U0 [1 – 3×10-7(t)]，U0：乾淨蒸發塔之熱傳係數，設計值為 2900 J/(sec)(m2)(K)；t：自清洗後之蒸發器使用時間（sec）。在一間生產生質乙醇 工廠內，有一個設計為了獲取濃縮20% 含醣類水溶液的蒸發器，每年需要蒸發掉 50×106公斤的水。此蒸發器的蒸發率為每公斤蒸氣可產生0.9 公斤水蒸氣。蒸發器 的蒸氣進口端與醣類水溶液出口端的溫差為20℃。蒸氣進口溫度為170℃，熱值 為2.05×106 J/(kg-steam)。當蒸發器離線清洗24 小時，除正常操作員外還需要額外 兩位工人協助清洗工作。假設每年攤提在此蒸發器清洗前後的最適操作天數的總 費用（ATE）、固定費用（AFC）、操作費用（AOE）與最適操作天數（X）的關係 如表列，回答下列問題： X(days) AOE($/yr) AFC($/yr) ATE($/yr) 0 5.165×105 2.01×106 2.5265×106 2 6.410×105 2.06×106 2.701×106 5 5.900×105 2.12×106 2.710×106 10 5.940×105 2.23×106 2.824×106 20 6.890×105 2.68×106 3.369×106 30 1.080×106 4.35×106 5.430×106 如何求得熱交換面積值與蒸發器使用時間（t）關係式？（25 分） 如何計算清洗工作前後，蒸發器的最適操作天數（X）？（5 分） 對應於此蒸發器的最適操作天數，總熱交換面積值多少？（5 分） 試繪此短管蒸發器之流體進出端的資訊流程圖。（5 分）