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普考申論題 109年 [化學工程] 化工機械概要

第 一 題

📖 題組:
請回答下列各題:(每小題10分,共30分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

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?

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解答此題應聚焦於「質傳驅動力(濃度梯度)」與「流體力學限制」兩大核心。首先聯想順流操作在出口處兩相流體趨近平衡,導致分離效率受限(缺點);接著從物理機制思考,兩相流體同向流動能消除液泛(flooding)問題並顯著降低壓降(優點),依據設備操作特性展開條列式論述。

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【破題】在氣體吸收或液-液萃取等質傳單元操作中,質傳速率取決於兩相間的「濃度驅動力」。順流式(Co-current)設計雖在分離效率上具有先天限制,但在特定的流體力學或化學反應條件下,仍具備其實務操作上的優勢與必要性。 【論述】 一、以順流式取代逆流式設計之「優點」

小題 (二)

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。

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看到結晶過飽和度,應直覺聯想「溶解度曲線」。要讓溶液跨越平衡濃度,可從三大物理/化學機制著手:改變溫度(降溫)、減少溶劑量(蒸發),或改變溶劑特性/系統組成(添加反溶劑或真空閃蒸),以此分類論述並輔以工業實例最為完整。

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【破題】結晶的熱力學核心驅動力為「過飽和度」(Supersaturation)。在化工單元操作中,通常透過改變系統的熱力學狀態(溫度、壓力)或組成,使溶質濃度超過其平衡溶解度來達到過飽和。 【論述】 工業上常依據物理或化學機制,採用以下三種方法使溶液達到過飽和而結晶:

小題 (三)

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?

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看到「篩分效度」,應立即聯想質傳與分離單元操作中評估篩選設備性能的指標。回憶篩分效度的定義,其為評估進料中粗、細顆粒被成功分離的程度,故為「粗粒(篩上物)回收效度」與「細粒(篩下物)回收效度」兩者的乘積。

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篩分效度(Screen effectiveness)為評估篩選機分離粗細顆粒效率之綜合指標,其為以下「兩效度」之乘積: (1) 粗粒回收效度(Effectiveness based on oversize): 又稱篩上物回收效度。指進料中所含的粗粒(尺寸大於篩孔之顆粒),成功被截留在篩網上方而成為篩上物流(Oversize stream)的質量分率或百分比。此指標反映篩選機防止粗顆粒掉入細顆粒產品的能力。

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