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地特三等申論題 110年 [化學工程] 化學程序工業(包括質能均衡)

第 一 題

📖 題組:
工廠在生產酒精時,酒精濃度達到 95.6%後就無法再經由蒸餾進行分離,此時達到共沸點(azeotropic point)。
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

請問共沸點是什麼?(10 分)

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看到「共沸點」,應直覺聯想到氣相與液相組成相同的相平衡狀態(x_i = y_i)。解答此題(10分)不僅要點出定義與無法用一般蒸餾分離的特性,更強烈建議補充「乙醇-水」的最低共沸特性,以及工業上如何突破此限制(如共沸蒸餾、變壓蒸餾、分子篩脫水),藉此展現化工技師的專業廣度並確保拿滿該題分數。

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【破題】共沸點(Azeotropic point)是指多成分液體混合物在特定壓力下沸騰時,其「氣相組成」與「液相組成」完全相同的熱力學狀態點。 【論述】 一、熱力學定義與現象

小題 (二)

請問工廠要生產 99.5%的酒精,有什麼方法可以獲得高濃度的酒精?(10 分)

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看到「打破共沸物」或「無水酒精生產」,應直覺聯想化工中處理共沸混合物的特殊分離技術。解題時可從「添加第三成份的蒸餾法」(共沸、萃取)、「改變操作條件的蒸餾法」(變壓蒸餾)以及「非蒸餾分離技術」(分子篩、滲透汽化)切入,條列式列出並簡述其物理/化學原理即可拿高分。

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【破題】酒精與水在濃度 95.6% 時形成最低共沸物,無法以常規精餾進一步純化。工業上欲生產 99.5% 的無水酒精,必須採用打破共沸系統或利用非汽液平衡原理的特殊分離技術。 【論述】 工廠獲取高濃度無水酒精的常見方法包含以下幾種:

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