地特三等申論題
106年
[化學工程] 化學反應工程學
第 一 題
📖 題組：
一個每邊兩公尺的立方體反應器裡，濕度必須控制在 100 ppm 以下。進料前擬以內直徑 2 公分的管子通入乾空氣，以便排除反應器內原有的水氣，氣體也以內直徑 2 公分的管子排出。乾空氣流量為 10 liter/sec。假設整個操作條件是 20℃一大氣壓，反應器內原有氣體是含 50% 相對濕度的空氣。 (一)請估計需時多久才能符合要求？（20℃的飽和蒸汽壓為 17.5 mmHg）（14 分） (二)列出計算時所下的假設。（3 分） (三)實際需要的時間應比估計多還是少？理由為何？（3 分）
一個每邊兩公尺的立方體反應器裡，濕度必須控制在 100 ppm 以下。進料前擬以內直徑 2 公分的管子通入乾空氣，以便排除反應器內原有的水氣，氣體也以內直徑 2 公分的管子排出。乾空氣流量為 10 liter/sec。假設整個操作條件是 20℃一大氣壓，反應器內原有氣體是含 50% 相對濕度的空氣。 (一)請估計需時多久才能符合要求？（20℃的飽和蒸汽壓為 17.5 mmHg）（14 分） (二)列出計算時所下的假設。（3 分） (三)實際需要的時間應比估計多還是少？理由為何？（3 分）
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
請估計需時多久才能符合要求？（20℃的飽和蒸汽壓為 17.5 mmHg）（14 分）
思路引導 VIP
本題為典型的反應器沖洗（Purge）問題。解題關鍵在於將反應器視為完全混合流系統（CSTR），先利用相對濕度求出初始水氣濃度（ppm），再透過質量守恆定律建立一階微分方程式，積分求出濃度降至目標值所需的時間。
小題 (二)
列出計算時所下的假設。（3 分）
思路引導 VIP
本題考查反應器吹掃（Purge）過程的模型建立基礎。看到這類濃度稀釋計算，應立刻聯想到「物質平衡方程式」成立的前提，通常包含流體混合狀態（理想CSTR）、操作條件（恆溫恆壓定流率）、氣體性質（理想氣體）及邊界條件（無額外水氣來源）等面向。
小題 (三)
實際需要的時間應比估計多還是少？理由為何？（3 分）
思路引導 VIP
思考本題時，需回顧前題的計算通常建立在「完全混合（Perfect mixing）」的理想假設上。接著從反應器幾何（立方體配合小管徑）切入，聯想化學反應工程中的「非理想流動（死角、短流）」以及實務上水氣的「器壁吸附」現象，這些因素都會阻礙水氣排出，導致實際時間更長。