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moea_joint_essay 106年 [化工製程] 單元操作、輸送現象

第 三 題

📖 題組:
一、某工廠蒸餾塔如【圖 1】所示,請回答下列問題:(20 分,每小題 5 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (三)

若塔底泵出口壓力偏低,請問 B 流量要如何調整以克服問題?
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泵浦出口壓力偏低可能導因於操作在泵浦特性曲線的最右側(大流量、低揚程),或是因為有效淨正吸揚程 (NPSHA) 不足導致穴蝕。降低流量可同時改善這兩個問題。

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調降(關小)B 流量。 原因如下:

  1. 回到泵浦性能曲線的高揚程區:根據離心泵的特性曲線,減少流量能使操作點向左移動,從而提升泵浦的出口壓力(揚程)。

小題 (一)

若 F流量 100 kg/h,B的流量 10 kg/h,迴流比(L/D)為 0.1,請問冷凝器入口流量是多少?
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利用總質量平衡求出塔頂餾出液量 D,再利用迴流比求出迴流量 L,最後計算進入冷凝器的總蒸氣量 V = L + D。

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  1. 根據塔的總質量平衡:$F = D + B$。已知進料 $F = 100$ kg/h,塔底產物 $B = 10$ kg/h,故塔頂餾出液 $D = 100 - 10 = 90$ kg/h。
  2. 已知迴流比 $R = L/D = 0.1$,故迴流液量 $L = 0.1 \times 90 = 9$ kg/h。
  3. 冷凝器入口流量即為塔頂上升的總蒸氣量 $V$。根據冷凝器周圍的質量平衡:$V = L + D = 9 + 90 = 99$ kg/h。

小題 (二)

蒸餾塔維持定壓,F、B及 L流量固定,若塔頂輕成份太少,請問可調整什麼來增加輕成份?
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在流量(F, B, L)及壓力固定的情況下,代表外部質量平衡及外部迴流量已無法改變。要提升塔頂輕成份純度(增加分離度),必須增加塔內的氣液接觸與質傳驅動力,通常可藉由改變熱量輸入或進料狀態來達成。

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在 F、B 及 L(外部迴流量)與操作壓力皆固定的情況下,由於總物料平衡 ($D = F - B$) 固定,餾出液流量 D 亦無法改變。若塔頂輕成份太少(分離效果不足),可調整下列操作參數:

  1. 增加再沸器(Reboiler)之加熱蒸汽量:提高塔底熱量輸入,可增加塔內上升的蒸氣流率(V),促進氣液接觸與質傳,將更多輕成份往塔頂帶動。
  2. 降低迴流液溫度(採取過冷迴流):雖然外部迴流量 L 固定,但較冷的迴流液會使塔頂部份蒸氣冷凝,從而增加塔內的「內部迴流量」,提高精餾段的分離效率。

小題 (四)

塔底再沸器是以蒸汽加熱之管殼式換熱器(Shell & Tube),蒸汽是很乾淨的流體,請問塔底油要走管側還是殼側?
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運用熱交換器流體配置的經驗法則 (Heuristics):髒污、易結垢、具腐蝕性或黏度較高的流體應走管側,以利於機械清洗;乾淨流體(如蒸汽)應走殼側。

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塔底油應走管側(Tube side),而乾淨的蒸汽走殼側(Shell side)。 原因為塔底油通常含有較多重成份、雜質或易產生結垢(Fouling)。將其配置於管側,在設備維修與保養時,可以直接打開管箱使用機械方式通管清洗,較為方便且符合工程設計慣例;同時乾淨的冷凝蒸汽走殼側可避免複雜的殼側清洗問題,且便於冷凝水的排放。

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