化工機械概要考古題｜歷屆國考試題彙整

請詳述下列問題：（每小題5 分，共20 分） 說明離心泵啟動前為何要灌泵？ 說明造成壓力容器失效有那些狀況？舉例三種。 管式換熱器有那些優點？ 列舉三種於管道設置閥門的目的。

一根直徑為1.5 inch、長度為12 feet 之Schedule 40 標準鋼管，用於外表 面蒸氣冷凝加熱，而水流經管內。已知管內側與管外側之對流熱傳係數 分別為400 及1800 BTU/hr-ft²-°F。水在入口截面處之總溫差為200°F， 在出口截面處之總溫差為90°F。已知鋼管內徑與外徑分別為1.610 inch 及1.90 inch，管壁熱傳導係數為25 BTU/hr-ft-°F，請估算水每小時所吸 收之熱量（BTU/hr）。（25 分）

利用填充塔以逆流水洗方式，將空氣中的氨含量由8 mol%降低至1.5 mol%。 若待處理空氣流量為

1.5 10 mol/min  ，填充塔直徑為1.2 m，且塔內質傳 速率為 3 * 3 4.0 10 mol/min-m y y   （ ） ，其中y 與 *y 分別代表氣相中氨的莫 耳分率及其平衡莫耳分率。已知此填充塔之NTU 為2.10。 此填充塔的HTU 為多少？（14 分） 寫出NTU 的英文全名，及數學表達式。（8 分） 設計此填充塔所需之塔高為多少？（8 分） 四、一台效率為75%的離心泵，用於在30℃下將煤油（kerosene）（密度 = 3 783 kg/m ，黏度 3 1.64 10 Pa s    ）由一個槽輸送至另一個槽，如圖所 示。若鋼製管路總長度為100 m，管徑為5 cm，且驅動該泵所需功率為 50 kW。假設系統操作於穩定流動狀態下，求煤油之體積流率( 3 m / min )。 已知入口、出口及彎管（elbow）之壓力頭分別為0.58、1.0 及0.75，假 設有5 個彎管，而鋼管粗糙度約0.045 mm且管路摩擦因子可由Moody Diagram 查得。（25 分） Reynolds Number, ρVd Re = μ Moody Diagram Smooth Pipe Friction Factor 2 = 2d P ρV l △ Complete Turbulence Laminar Flow Transition Region 64 Re Relative Pipe Roughness Friction Factor 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.015 0.05 0.03 0.04 0.02 0.015 0.01 0.005 0.002 0.001 6 5 10  4 5 10  4 2 10  4 10

5 10  5 10

10 103 104 105 106 107 108 in 0.01

在750 mmHg 大氣壓力下，測得氣體錶壓為9.8 psig，則氣體的絕對壓 力為若干atm？（10 分） 試述帕斯卡（Pascal）原理與連通管原理，並各舉一日常應用實例。（10 分）

有一堰塞湖水深25 公尺，若底部出現5 公分×10 公分裂痕，水的密度為 998 kg/m3，若大氣壓力為1 atm，試問：（每小題10 分，共20 分） 湖底水壓有多少psi？ 若要將裂痕滲水處堵住，需多大牛頓力？ （1 atm=760 mmHg=14.7 psi=1.013×105 Pa=1.013×105 N/m2）

0.6 莫耳分率乙醇與0.4 莫耳分率水的溶液，以每分鐘800 莫耳流入蒸餾 塔，若塔底產物是每分鐘200 莫耳的0.1 莫耳分率乙醇，其餘為水，試 求：（每小題10 分，共20 分） 塔頂產品每分鐘流量為何？與乙醇的莫耳分率為何？ 若回流比是0.6，則進入冷凝器的塔頂蒸氣每分鐘流量為何？

何謂對數平均溫差？其使用目的為何？（5 分） 一逆流式雙套管熱交換器，使用20 kg/min 的水（比熱為1.0 kcal/kg ‧ ℃， 溫度由22℃上升到66℃）冷卻35 kg/min 的熱油（120℃，比熱為 0.48 kcal/kg ‧ ℃）。試求熱油的出口溫度為何？對數平均溫差為何？若 整體加熱面積為4.2 m2，求此加熱器的總包熱傳係數。（15 分）

請回答下列問題：（每小題10 分，共20 分） 請詳述牛頓黏度定律為何？ 一流體流入兩平行的平板中，當上板固定不動，下板施力使其以每秒 5 公分的速度移動，若兩板距離為15 公分，試求其速度梯度。

何謂邁耶理論？冷卻結晶時，要如何操作才可獲得細小顆粒晶體？ （10 分） 結晶器中有50℃飽和NaHCO3 水溶液230 kg，假設50℃ NaHCO3 的 溶解度為15 g NaHCO3/100 g H2O，在20℃時為8 g NaHCO3/100 g H2O， 當溫度由50℃降低至20℃時，可析出多少公斤的NaHCO3晶體？（10 分）

請回答下列問題： 何謂超臨界流體？（5 分）與其物理特性？（5 分） 超臨界萃取最常使用何種溶劑？有何優缺點？（10 分）

乙醇發酵水溶液為何無法以一般蒸餾方法得到無水乙醇（即100%乙醇）？ 需如何解決？（5 分） 一蒸餾塔，每分鐘600 莫耳的進料組成為0.6 莫耳分率乙醇及0.4 莫 耳分率水。若塔底產物流量每分鐘120 莫耳含0.1 莫耳分率乙醇，其 餘為水。則塔頂產物每分鐘流量為何？乙醇的莫耳分率為何？若塔頂 回流率為每分鐘240 莫耳，回流比是多少？（15 分）

請說明溶劑萃取與洗滌之區別？（5 分） 有一未飽和空氣，溫度為120℉，百分比濕度為30％。請從濕度圖中 找出此空氣的濕度（3 分）、露點溫度（3 分）、絕熱飽和濕度（3 分）、 絕熱飽和溫度（3 分）、濕氣比熱（3 分）。

請回答下列問題：（每小題10 分，共20 分） 請畫出一般多孔物質的乾燥曲線與含水率隨乾燥時間之變化圖。 一盤濕黏土重36.0 kg 置於密閉乾燥箱中，以90℃、相對溼度10%的 熱空氣乾燥，經10 小時達32.0 kg，將溫度升至120℃，經3 小時加 熱至含水量0 的30.0 kg 恆重，試求此黏土的自由含水率。

欲撲滅150 公尺高大樓的火災，則地面上的消防栓最低壓力需多少大 氣壓力？（10 分） 當體溫為102℉，相當於攝氏幾度，請問是否發燒了？（5 分）

以每小時4000 公斤的蒸汽（385 K，2230 kJ/kg 潛熱）加熱9200 kg/h 的 1%鹽水至3%濃度，蒸發器內溫度373K 且總括熱傳係數為1600W/m2·K， 試求每小時3%濃縮鹽水產量與所需傳熱面積。（20 分）

請詳述乾球溫度與濕球溫度的區別。（10 分） 何謂露點與絕熱冷卻溫度？（10 分） 試詳述除濕機應用原理。（10 分）

何謂萃取？（5 分）若35℃醋酸在異丙醚的溶解度為0.4 mol/100 mL、 在水溶解度為1.6mol/100 mL，此時分配係數為何？（5 分）現有一1000mL 水溶液內含醋酸0.8 mol，若分別以600 mL 異丙醚連續萃取2 次，則水 溶液中還有多少mol 醋酸？（5 分）

水以每秒6×10-3 立方公尺體積流率進入邊長10 公分正三角形截面的水 管中流動，水的密度為1000 kg/m3，黏度為1.2×10-3 kg/m·s。試求： （每小題10 分，共20 分） 相當管徑為何？ 流體流動的雷諾數為何？

膜分離技術常用於液液分離，針對薄膜分離技術之應用，請回答下列問題： 說明薄膜分離的種類及與其相應之基本原理為何？（10 分） 說明影響薄膜分離的因素有那些？（5 分） 說明膜分離製程的操作模式有那些？（5 分）

水（密度998 kg/m3，黏度1.3 cp）以5 m/s的速度流經內管5 cm，外管12 cm 的雙套管環形空間，試求其：水力半徑；（5分）相當管徑；（5分） 雷諾數為何？（5分）並判斷為層流或亂流。（5分）

關於結晶，請回答下列問題： 何謂結晶？（5 分） 說明工業上使用的結晶法。（5 分） 畫圖說明適用之連續式結晶器。（10 分）

何謂結晶？（5分）並解釋赫夷法則（Law of Hauy），（5分）另請敘述各 種結晶方法的原理，（5分）並試舉2個以結晶製作出的日常物質。（5分）

使用泵（效率為60%）將密度1.84 g/cm3 的液體，由A 槽（位置1）以 0.264 m3/min 流率輸送至開放水槽B（位置2），泵之吸水管內徑為77.9 mm， 出水管內徑為52.5 mm。B 槽位置點高於A 槽20 m，管線之摩擦損失為 30 J/kg，試計算泵所需功率（kW）及泵產生之壓差？（20 分）

請寫出一般熱傳的驅動力（5分）與熱傳導的傅立葉定律。（5分） 有一材料相同的平板耐火磚緊密黏合，兩端溫度分別為1200℃與 50℃，A片厚度5公分，B片厚度12公分，求A、B二片耐火磚介面溫度 為何？（10分）

有一雙套管熱交換器（內管之管徑為2.54 cm，外管之管徑為3.82 cm， 長度為8 m）用冷水採逆流式冷卻熱油。熱油流率為0.1 kg/s，油由95℃ 被冷卻至65℃，比熱為2.42 kJ/（kg·K），外管冷水流率為0.2 kg/s， 冷水入口溫度為30℃，比熱為4.18 kJ/（kg·K），試求：冷水出口溫度、 總熱傳係數。（20 分）

一溼陶瓷重40 kg，經80℃相對溼度10%的空氣乾燥至恆重32 kg，隨後放 入120℃烘箱中乾燥5分鐘至29.5 kg（乾燥面積0.1 m2），請計算此物料之 總含水率、（5分）自由含水率、（5分）平衡含水率（5分）與烘箱中之乾 燥速率。（5分）

關於液液萃取，請回答下列問題：（每小題4 分，共20 分） 何謂液液萃取？ 萃取劑如何選擇？ 蒸餾與萃取都是液液分離的方式，在什麼情況下會採用萃取操作？ 說明常見之萃取裝置有那些？ 何謂超臨界萃取？ A B

一單效蒸發器（加熱面積= 49.4 m2）濃縮4560 kg/h，20%，60℃糖水 （焓值= 214 kJ/kg）至50%（沸點105℃，焓值= 505 kJ/kg）。使用115.6℃ 的飽和蒸汽（潛熱= 2214 kJ/kg），蒸發所得蒸氣焓值= 2667 kJ/kg。請計 算：（每小題5分，共20分） 每小時有多少濃縮液與蒸氣產出 每小時蒸氣使用量 蒸發器的經濟效益 蒸發器的總熱傳係數（kJ/h･m2･K）

請試述下列名詞之意涵： 對數平均半徑（Log-mean radius）（5 分） Fick’s second law（5 分） 蒸汽祛水器（Steam trap）（5 分） 雙膜理論（Two film theory）（5 分）

請回答下列問題： 解釋氣體吸收塔的操作中，負載（loading）及溢流（flooding）的意義。 （10 分） 銳孔流量計的前後差壓減為原來前後差壓的1/4，則其流量減為原來 的多少？（5 分） 當兩相同離心幫浦並聯時，請問其流量與排出壓力為使用單一離心幫 浦的幾倍？（5 分）

依泵的持性，回答下列問題： 泵分成幾類？請分別比較。（10 分） 何者易受氣縛（air binding）影響？（5 分） 何時適合黏稠性的流體？（5 分）

請分別繪圖與簡述說明皮托管（Pitot tube）與文氏流量計（Venturi meter） 的原理，並比較其差異。（20 分）

一塊均勻材料，厚度為0.50 m，此材料的熱傳導係數k = 0.54 kcal/hr-m℃。 若材料的一面的溫度為200℃，而另一面維持在20℃，此熱傳導僅在一 維方向，試求在穩態時的熱流通量。（15 分）

一雙套管熱交換器用以冷卻熱油，熱油入口溫度為85℃，希望冷卻至40℃； 冷水入口溫度為20℃，出口溫度為36.5℃；若已知其熱傳率為224kW， 而其總熱傳送係數為2.4kW/（m2‧K），則在逆流熱交換之下，需要熱傳 面積多少m2？（20 分）

利用水將空氣中的氨氣在吸收塔以逆向流動方式吸收，塔的溫度為68°F， 氣體進料為1540 ft3/hr (1 atm)，而水中不含氨的流量為75 lbm/hr，且空 氣可假設為理想氣體（理想氣體常數R = 0.73 ft3．atm/R．lbmmol）。若氨 的含量經吸收後由3.52%降至1.29%，請問： 以何種方式表示可使操作線變成直線？（10 分） 求此操作線的斜率為何？（10 分） 何謂操作線的最小斜率？（5 分）

一冷卻結晶罐內原有40.0%CuSO4（原子量=159.5）之水溶液100kg，將其冷 卻至25℃（假設其飽和溶液含23.0%CuSO4，產生之晶體為CuSO4‧5H2O）， 請問可析出多少kg 的晶體？（20 分）

200 mol/h 的飽和液中，其中有42 mol% n-Heptane 及58 mol% Ethyl Benzene，送入一分餾塔（於101.32 kPa）進行分離出的蒸餾物含97 mol% Ethyl Benzene 及塔底物含2 mol% Ethyl Benzene。此塔的回流比為2.5。 已知在101.32 kPa 壓力下n-Heptane 的氣液莫耳分率的平衡數據為： ℃ xH yH 136.1 0 0 129.4 0.08 0.230 119.4 0.250 0.514 110.6 0.485 0.730 102.8 0.790 0.904 98.3 1.000 1.000 求蒸餾物及塔底的莫耳流率。（10 分） 寫出此操作線，不需詳細繪圖，但由繪圖說明如何由操作線與平衡線 求此分餾塔的理論板數。（10 分）

有一3 馬力的幫浦（效率=1）加壓輸送600 公升/分鐘的水（比重1.0）， 假設幫浦的入口和出口是在同一水平，管徑不變且沒有磨擦損耗，則水 經幫浦加壓之後其壓力（Kgf /cm2）增加多少？（1 馬力= 74.5Kgf‧m/s） （20 分）

針對填充吸收塔，請回答以下問題：（每小題5 分，共30 分） 畫圖說明其結構。 何謂雙膜理論？ 何謂負載點？ 何謂泛溢點？ 何謂比表面積？ 若氣體含二氧化硫，為降低污染，工業上常用吸收劑有那些？

請解釋下列有關泵的原理： 試述離心泵的工作原理。（6 分） 試述往復泵的工作原理。（6 分） 比較離心泵與往復泵的優缺點。（8 分）

有一壓力容器儲存密度為0.85 g/cm3 的液體，利用壓力感測器測得底部壓 力為15 psig，而液體頂部壓力為5 psig。 請問其液位為何？（5 分） 在平衡狀態若液位維持不變，利用幫浦將槽內液體送至蒸餾塔作為進料 （流量為2.12 m3/min），塔進料口離地25 公尺，而塔高50 公尺，塔壓 為25 psig，求幫浦最小功率（10 分）與出口壓力（10 分）？ 1 atm（標準大氣壓）＝14.7 psi（磅／平方吋）＝1.0336 kg/cm2（仟克／平方 公分）＝1.013×105 Pa（牛頓／平方米）。1 J = 1（N．m）= 1（kg．m2/s2）； 1 W = 1 J/s

在操作精餾塔的過程中，擬將自塔中間進料（含水及酒精）分離。 回流比加大對塔頂及塔底產物中酒精濃度的影響。（5 分） 回流比加大對冷凝器及再沸器負荷的影響。（5 分） 可否將其中酒精濃縮為98%（重量百分比）？若不行，應如何得到這 個濃縮酒精？（8 分）

有一股鹽溶液2300 kg 含48%之MgSO4（分子量：120 克／莫耳），今溶 液由54℃冷卻至20℃（無水氣蒸發）使硫酸鎂結晶MgSO4．7H2O 移除， 若溶解度是35.5 kg MgSO4/100 kg 水，已知原料比熱為2.9 kJ/(kg-K)，假 設MgSO4．7H2O 溶解熱為-13300 kJ/kgmole，請回答以下問題： （每小題10 分，共20 分） 請計算晶體產量。 求總吸收熱量。

流體流量的調節常需用控制閥來調整，控制閥的特性分為線性閥（linear） 及等百分比閥（equal percentage），請論述這兩種閥的特性與使用時機。 （12 分）

有一股冷流體溫度為40℃需要被加熱，另有一股熱流體溫度為230℃需要 被冷卻，為了簡化計算，兩流體的比熱均假設為1 kJ/（kg-℃），而熱流體 與冷流體之流率分別為1 kg/s 與2 kg/s，水的比熱假設為4.2 kJ/（kg-℃）。 若二股流體在雙套管熱交換器採用逆流式接觸做熱交換，操作時控制熱 流體出口溫度比冷流體入口溫度高10℃，則冷流體出口溫度為何？（5 分） 承上題，若冷流體需再用蒸汽加熱至230℃，而熱流體需再用冷卻水 冷卻至40℃，則蒸汽（10 分）與冷卻水（10 分）用量分別為多少？ 相關資訊：⑴假設工業用冷卻水之水溫使用由30℃上升至40℃；⑵使用 之蒸汽為250℃飽和蒸汽，其飽和液體水之熱焓為1085.36（kJ/kg）而飽 和蒸汽之熱焓為2801.5（kJ/kg）。

有一連續式的單效蒸發器，在將4,000 kg/h 於60°C 20%的NaOH（其值 焓為200 kJ/kg）中的部分水移除，使濃度增至50%。50%的NaOH 沸點 為90°C，且焓值為500 kJ/kg。移除的蒸氣焓值為2,600 kJ/kg，而熱交換 器的總熱傳係數為1,500 W/m2‧K。熱交換器使用的飽和蒸氣溫度為 110oC，且潛熱為2,200 kJ/kg。 計算飽和蒸氣的使用量（kg/h）。（12 分） 計算每kg 飽和蒸氣可移除蒸氣量（kg）。（5 分） 計算此蒸發器的熱傳面積（m2）。（10 分）

請回答下列問題與計算： 以萃取法分離物質的依據為何？寫出液液萃取的分配係數與溶劑所 需具備的條件。（10 分） 若茶多酚對水與乙酸乙酯的分配係數在25℃時為0.8，則含10 克茶多 酚的水溶液100 mL，若以100 mL 乙酸乙酯萃取一次，可得到多少茶 多酚？若將100 mL 乙酸乙酯分2 次來萃取（每次50 mL），可得到多 少茶多酚？（10 分）

多孔固體在批次乾燥器中，進行乾燥除水。假設乾燥過程包括二個階段 （恆速期及減速期）。 說明臨界含水量的定義。（5 分） 寫出在減速期所需時間與多孔固體水份含量的關係式。（8 分） 已知乾固體為100 kg，並且其表面積為5.0 m2。恆速期的乾燥速率為 1.5 kg 水/h‧m2，而臨界含水量為0.15 kg 水/kg 乾固體。在減速期（falling- rate period）的乾燥速率是正比於水份含量。若使水份（0.3 kg 水/kg 乾 固體）降至水份（0.01 kg 水/kg 乾固體），計算此乾燥過程所需的時間。 （10 分）

請回答下列各題：（每小題10分，共30分） 當設計氣體吸收或萃取等單元操作時，以順流式取代逆流式設計之優 缺點為何？ 結晶是溶液中溶質已達過飽和，請舉三種可使溶質達到過飽和而結晶 之方法。 篩選機必須具備較高篩分效度（screen effectiveness），請問篩分效度為 那兩效度的乘積？

固體減積設備常依據那5種作用力？（5分） 就固體與固體物料之機械分離操作方法，可分為那四大類？（5分）

有一雙套管逆流熱交換器（counter-current heat exchanger）欲將熱油從 380 K冷卻至350 K，此熱油的熱容為2.3 kJ/kgK且流量為3800 kg/hr；而外 部為冷卻水，其進口溫度288 K，熱容為4.187 kJ/kgK且流量為1500 kg/hr。 若此逆流熱交換器的總熱傳係數為U = 350 W/m2K，請問： （每小題10分，共20分） 冷卻水出口的溫度。 熱傳面積為多少？

有一精餾塔在一大氣壓下操作，此塔進料800 kg/hr含苯與甲苯的混合液， 進料中苯之質量分率為0.4。已知餾出物中苯之質量分率為0.95；餾餘物中 甲苯之質量分率為0.15，且回流比為0.5，則自塔頂入冷凝器的蒸氣質量流 率為多少kg/hr？（20分） LO 0.15

有一幫浦將苯由貯桶送至高處，桶內壓力為0.85大氣壓，苯的溫度為38℃， 在此溫度時苯的蒸氣壓為0.26大氣壓，密度為0.85 g/cm3，若進口端管路中 的摩擦損耗為0.04大氣壓，幫浦的位置高於桶內液面4公尺，試計算此 幫浦的淨正吸引揚程（net positive suction head, NPSH）；若NPSH為負值 會如何？（單位：1大氣壓= 1.013 105 Pa）（20分）

關於流體輸送裝置，請回答下列問題：（每小題10 分，共20 分） 請論述孔口板流量測量原理與其關係式。 流體流量常需控制閥加以調節，控制閥依其動作分為氣開型（air to open）與氣閉型（air to close），請論述何謂氣開型與氣閉型控制閥？

關於分離程序之裝置，請回答下列問題：（每小題10 分，共20 分） 何謂三效蒸發器？操作方式有那些？ 何謂乾燥？氣體如何乾燥？

製程使用固體原料時，往往需要縮小尺寸（size reduction，或稱減積）， 使效率提高，請論述：（每小題10 分，共20 分） 減少尺寸的理由。 裝置縮小尺寸方式。

有一股廢醇溶液，流量為2000 kg mol/h，含甲醇80 mol%（摩爾百分比） 其餘為分子量較高的醇類物質及少量的水，今欲採用蒸餾塔分離出含甲 醇99 mol%之產品（假設密度為0.8 g/cm3），並使回收率達95%，而其 餘為廢液。若回流比為1.2，塔頂壓力1 大氣壓（101.3 kPa），每塔板 壓差為0.86 kPa，而總塔板數為42（塔高為29 m），請計算： （每小題10 分，共20 分） 塔頂與塔底之質量流率kg mol/h？ 回流幫浦功率（假設效率70%）。 單位轉換資訊：1 atm = 101.3 kPa；1 Pa = 1（N/m2）； 1 J = 1（N．m）= 1（kg．m2/s2）；1 W = 1 J/s。

燃燒爐是一個重要的化工裝置，使燃料透過燃燒以釋放出能量供程序使 用，關於燃燒爐使用，請論述下列問題：（每小題10 分，共20 分） 若欲有良好燃燒，其控制要素有那些？ 燃燒後尾氣若含粒狀物，粒狀物之去除裝置有那些？

請回答下列各題： 請說明在攪拌槽中放置擋板功能為何？（5 分） 2 in、40 號鋼管與2 in、80 號鋼管相較，何者管壁厚度較厚？（5 分） 請說明泵之淨正吸引頭（net positive suction head, NPSH）。（5 分） 熱傳遞有那幾種機制？其中那些機制需要介質，那些機制不需要介質？（10 分） 請解釋蒸發器經濟效益（evaporator economy）。（5 分） 請說明皮托管（pitot tube）之原理。（5 分）

請說明用來輸送氣體的化工裝置有那些？並請詳述其特性。（20 分）

使用一泵將水井之水（水面低於地面3 公尺）抽到離地5 公尺高的水塔中，水流量 為1.2 L/s，水管內直徑為2 公分，若各項管件摩擦損失可忽略，泵效率為70%，試 決定需要的泵功率？重力加速度g = 9.8 m/s2。（15 分）

請詳述熱量傳送的方式及解釋其傳送原理，並分別舉例説明在化工機械上應用該熱 量傳送方式的操作。（20 分）

化學工業上常用的結晶操作有冷卻法、蒸發法及真空法，請詳述這些操作方法的原 理及其適用條件。（20 分）

有一套管式熱交換器，內管液體之比熱（Cp）為3 kJ/kg℃，流率為2000 kg/hr，且其 溫度從90℃被降至70℃，而水（Cp = 4.2 kJ/kg℃）在外管以逆向流動，流率為 6000 kg/hr，進口溫度為30℃，若已知總熱傳係數U = 300 W/m2 K，請問水之出口溫 度及熱交換器熱傳面積為多少？（20 分）

請解釋下列蒸餾操作： 共沸蒸餾（azeotropic distillation）。（10 分） 萃取蒸餾（extractive distillation）。（10 分）

文氏流量計（Venturi meter）和鋭孔流量計（orifice meter）均是常用的差壓式流量計， 其各有何優、缺點？（10 分）

有一離心泵擬以0.05 kg/s 的速率用於汲水輸送系統，河水（密度為1.0 g cm-3）自河 邊利用輸送管及離心泵送至在河邊廠區高處的開口塔槽。輸送管在高處的出水口處 比河面高30 m，若忽略管路的摩擦損失及動能變化，請計算離心泵的功率至少需要 多少瓦（W）？（20 分）

一平面爐壁由12 cm 厚之耐火磚內層及24 cm 厚之普通磚外層所構成，耐火磚及普 通磚之熱導係數各為0.2 及0.8 kcal/hr·m·℃。爐壁內表面之溫度為720℃，外表面之 溫度為70℃。 磚間接觸點之熱阻不計，試求穩定狀態時，爐壁每平方公尺之熱損失。（15 分） 兩磚界面之溫度為多少？（5 分）

有個殼管式熱交換器，如圖一，化合物B 在殼端流動，進料流量（物流1）為20 kg/s， 進料溫度為70℃，出料溫度（物流2）為40℃。化合物A 在管束端流動，進料流量 （物流3）為10 kg/s，進料溫度為20℃，假設兩者比熱容量（specific heat capacity） 近似，請預估化合物A 出料溫度？（20 分） 圖一

請繪圖說明皮托管（Pitot Tube）的原理。（5 分）使用皮托管測量圓管內流體流速時， 皮托管之外徑不可大於管徑之幾分之幾？（5 分）

請依定義及應用比較吸收（absorption）、氣提（stripping）、萃取（extraction）、瀝取 （leaching）的差異。（20 分）

請說明旋風分離器的基本工作原理，並繪出殘留曲線與粒徑的關係圖。（10 分）試述 何謂助濾劑及功用，並舉出一種常用助濾劑。（10 分）

如圖二所示，有一曝露於大氣的水槽，如不計摩擦損失時，液體（密度為0.9 g/cm3） 經由內直徑0.01 m 之圓管排出大氣中，試求其出口的平均速度？（20 分） 圖二

請解釋說明與粉體粒徑篩選有關的名詞：通過率（D）和殘留率（R），並畫出一般通過率 分布曲線（即D 對粒徑Dp 做圖）和殘留率分布曲線（即R 對粒徑Dp 做圖）。（10 分）

請比較以下裝置應用的差異和其優缺點： 固體輸送之帶式運送機與氣動式運送機（pneumatic conveyor）。（10 分） 熱量輸送之殼管式熱交換器和板式熱交換器。（10 分）

有一混合物以1200 kg/hr 的流率進入具回流比的精餾塔，該混合物由A 與B 組成， 其中A 占該混合物的重量百分率為40%，若餾出物中含A 的重量百分率為90%，餾 餘物中B 的重量百分率為95%，自塔頂進入冷凝器的蒸氣量為900 kg/hr，則回流比 為何？（20 分）

管因受限於製造、搬運、儲存之條件，長度有其限定，需要由配管場合決定管徑與 長度大小，也因此有不同的接合方法，分為螺旋接合（screw joint）、凸緣接合（flange joint）、焊接接合（welded joint）和插承接合（bell and spigot joint），請問各接合方法 有何不同？（20 分） 4 2 1, mB 3, mA P = 1 atm V 12 m 3 m 2 m

有一液體（蒸氣壓0.25 atm，密度0.86 g/cm3）經幫浦由儲槽輸送至高處，槽內壓力 為1atm，若幫浦進口端管線壓力損失為0.05 atm，幫浦的位置高於儲槽內液面1.2 m， 試計算此幫浦的吸引揚程（suction head）；（10 分）淨正吸引揚程NPSH（net positive suction head）。（10 分）

直徑10 cm 之蒸氣管，使用4 cm 厚之石棉（熱傳導率 = 0.14 kcal/(hr‧m‧℃)）保溫 以避免蒸氣輸送過程中熱損失。如果石棉內外面之溫度為140℃與50℃，試求每單 位公尺管長之熱損失率。（20 分）

請回答下列問題：（每小題5 分，共10 分）  蒸餾塔內的板層安裝有泡罩裝置，即所謂的泡罩板（bubble-cap plate），請問泡罩 的功能為何？ 氣 -液吸收操作的填充塔內，通常會放置填料（packing），請問填料的功能何在？

請說明正排量泵（positive displacement pump）與動壓力泵（dynamic pressure pump） 的工作原理與特性。（15 分）

請說明可應用那些操作方法達到除濕（dehumidification）的目的？（20 分）

有一苯與甲苯的混合液，擬利用蒸餾方法進行分離。進料端含有45 mol%的苯和 55 mol%的甲苯，以100 kg mol/h 的流率進入蒸餾塔。蒸餾結果，塔底可得到含有 10 mol%的苯和90 mol%的甲苯，塔底餾餘物的流率為60 kg mol/h。請計算塔頂餾出 物的流率每小時有多少kg mol？（5 分）塔頂餾出物中可得到含有多少mol%的苯與 甲苯？（10 分）

有一厚管壁的膠管，內直徑10 mm，外直徑40 mm，其導熱係數為0.151 W/m-K，擬 暫時用來當冷卻水槽的冷卻管。冷卻管中快速通入冰水，讓管內溫度維持在2℃，管 外表面溫度維持在25℃。假若總共有16 W 的熱量需要藉由冷卻移走，請計算需要使 用多少長度的冷卻管？（20 分）

考慮有一開放式水槽與連通的排水管如下圖所示，水槽液位h 有4 m 高，底部連通 的排水管其管直徑有0.01 m，若不考慮流體流動的摩擦損失問題，排水管閥門打開 時，請計算流體的體積流率有多少m3/s？（20 分） h

管殼式熱交換器（shell and tube heat exchanger）內的檔板目的為何？（5 分） 使用浮子流量計量測流量時，有那幾個力作用於浮子上？（5 分）

請說明下列各操作單元所用之分離原理： 結晶。（5 分） 液相萃取。（5 分）

當過濾液流經過濾機之過濾過程，受到那三種阻力的作用？（10 分） 請問用何種方法可將40%（by wet）之酒精水溶液，回收其中酒精並濃縮成98% （by wet）之酒精？（10 分）

有一幫浦欲將水（密度=62.3 lbm/ft3）從低處（進口）送至4 ft 高處（出口）。進口 處之壓力為4 大氣壓，流速100 ft/sec，出口處之壓力為1.2 大氣壓，流速10 ft/sec。 經試驗發現此幫浦的效率為70%。假設管路中的磨擦損耗可忽略不計，試問有多少 ft-lbf/lbm 的功由於幫浦之不可逆而失去？（20 分）

有一套管熱交換器將甲醇由65℃冷卻至40℃，甲醇在外徑為6 cm 之內管流動，冷 卻液於外管，其流動方向與甲醇相反，其溫度由入口20℃提升至出口30℃。若總 熱傳係數為305 W/m2 K，甲醇之流量為1.7 kg/s，比熱為2.6 kJ/kg K，請問套管熱 交換器的長度為何？（20 分）

一蒸餾塔用以分離1500 kg/hr 之A 與B 的混合物，其中A 所占的重量百分率為 40%，已知餾出物中含A 重量百分率為90%，餾餘物中含B 重量百分率為90%，且 回流比為0.45，則自塔頂入冷凝器的蒸氣質量流率約為若干kg/hr？（20 分）

請解釋說明下列元件及其特性：  袪水器（steam trap）（5 分）  孔口計（orifice meter）（5 分）  齒輪泵（gear pump）（5 分）

請解釋說明下列與熱傳有關的名詞：  顯熱（sensible heat）（5 分）  潛熱（latent heat）（5 分）  熱輻射（thermal radiation）（5 分）

請解釋說明：  吸收（absorption）和氣提（stripping）（10 分）  萃取（extraction）和瀝取（leaching）（10 分）

請解釋說明流體化床（fluidized bed）以及它在化學工程上的應用。（10 分）

有A-B 兩成分混合液在350K 時的相對揮發度（relative volatility）為2.5，試計算當 A 成分液相莫耳分率為0.4 和0.8 時，與之達成平衡的氣相莫耳分率為多少？（20 分）

某一有機酸對異丙醚和水的分配係數（distribution coefficient）在298K 時為0.25， 若100 公升的有機酸水溶液中含有機酸6 公斤，現以70 公升的異丙醚一次萃取， 假設溶質的提取與溶入，對溶液的體積變化影響很小，因此可以被忽略，請計算萃 取後水溶液中含有機酸還剩多少公斤？（20 分）