高考申論題
106年
[化學工程] 輸送現象與單元操作
第 一 題
📖 題組：
三、以填充塔洗滌含有空氣和氨的氣體混合物。氣體以 20 moles/hr 流量進入塔，氨的莫耳分率（mole fraction）為 0.005。水流量為 20 moles/hr。塔直徑為 2 ft，高 4 ft。在 25℃和 1 大氣壓下操作。填充材為 1/2 吋拉西環（Raschig rings）。對於該填料和氨-空氣系統，總氣壓為 1 atm 時，HG = 5.31 G^0.1 L^-0.39，HG 單位為 ft，G 和 L 分別為氣體與液體流通量，單位為 lb/hr-ft^2。平衡關係由 P = x 表示，其中 P 是氨分壓（atm），x 是莫耳分率。若忽略水蒸氣，且假設氣膜控制質量傳送。試估算不同操作程序時，氨的回收率（%）： (一)逆流操作時。（10 分） (二)平行流操作時。（10 分）
三、以填充塔洗滌含有空氣和氨的氣體混合物。氣體以 20 moles/hr 流量進入塔，氨的莫耳分率（mole fraction）為 0.005。水流量為 20 moles/hr。塔直徑為 2 ft，高 4 ft。在 25℃和 1 大氣壓下操作。填充材為 1/2 吋拉西環（Raschig rings）。對於該填料和氨-空氣系統，總氣壓為 1 atm 時，HG = 5.31 G^0.1 L^-0.39，HG 單位為 ft，G 和 L 分別為氣體與液體流通量，單位為 lb/hr-ft^2。平衡關係由 P = x 表示，其中 P 是氨分壓（atm），x 是莫耳分率。若忽略水蒸氣，且假設氣膜控制質量傳送。試估算不同操作程序時，氨的回收率（%）： (一)逆流操作時。（10 分） (二)平行流操作時。（10 分）
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
逆流操作時。（10 分）
思路引導 VIP
看到本題首先要辨識為填充塔的氣體吸收問題。解題核心在於利用塔高 $Z = H_{OG} \times N_{OG}$ 的關係式，先由經驗公式求出傳質單元高度 ($H_{OG}$)，再求出傳質單元數 ($N_{OG}$)。最後利用操作線與平衡線的關係（吸收因子 $A$）推導出逆流吸收的濃度變化及回收率。
小題 (二)
平行流操作時。（10 分）
思路引導 VIP
本題重點在於平行流（並流）吸收塔的計算。首先需將莫耳流量轉換為質量通量（注意美制單位通常隱含 lb-moles），代入經驗公式計算氣膜傳質單元高度（$H_G$），因氣膜控制故 $H_{OG} \approx H_G$。接著，利用並流物料平衡推導操作線方程，將其與平衡線結合求出驅動力，再透過傳質單元數（$N_{OG}$）的積分式解出塔底氣體出口濃度，最終求得回收率。