高考申論題
111年
[化學工程] 化學程序工業(包括質能均衡)
第 一 題
📖 題組：
五、蒸餾塔操作在大氣壓力及絶熱下，其進料為85℃的50%CH3OH 及50%wt%水， 如圖3 所示。在操作中塔頂及塔底分別提取出90wt%CH3OH 及5wt%CH3OH 的 飽和液體。全冷器被採用，且回流比為3。相關的熱力學性質為： （每小題 15 分，共 30 分） 水的熱容量（heat capacity）= 1Btu/lbm°F 飽和蒸氣熱焓（90wt%CH3OH，71℃）= 581 Btu/lbm 飽和液體熱焓（90wt%CH3OH，71℃）= 72 Btu/lbm 飽和液體熱焓（50wt%CH3OH，85℃）= 540 Btu/lbm 飽和液體熱焓（5wt%CH3OH，95℃）= 171 Btu/lbm 飽和蒸氣熱焓（300℉） = 910 Btu/lbm 圖3：甲醇純化的蒸餾塔
五、蒸餾塔操作在大氣壓力及絶熱下，其進料為85℃的50%CH3OH 及50%wt%水， 如圖3 所示。在操作中塔頂及塔底分別提取出90wt%CH3OH 及5wt%CH3OH 的 飽和液體。全冷器被採用，且回流比為3。相關的熱力學性質為： （每小題 15 分，共 30 分） 水的熱容量（heat capacity）= 1Btu/lbm°F 飽和蒸氣熱焓（90wt%CH3OH，71℃）= 581 Btu/lbm 飽和液體熱焓（90wt%CH3OH，71℃）= 72 Btu/lbm 飽和液體熱焓（50wt%CH3OH，85℃）= 540 Btu/lbm 飽和液體熱焓（5wt%CH3OH，95℃）= 171 Btu/lbm 飽和蒸氣熱焓（300℉） = 910 Btu/lbm 圖3：甲醇純化的蒸餾塔
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
如果冷凝器通過的冷卻水由 60℉升高至 140°F，那麼欲分離 2,000 lbm/hr
的進料需要多少水（lbm/hr）？
思路引導 VIP
首先利用整個蒸餾塔的總質量與成份守恆聯立方程式，求出塔頂餾出液的流率。接著利用回流比定義，計算進入冷凝器的總蒸氣流量。最後對冷凝器單獨進行能量均衡，將蒸氣凝結釋放的熱量等於冷卻水吸收的顯熱，即可求得所需的冷卻水流量。
小題 (二)
如果再沸器為部份再沸器，其用以產生飽和蒸氣，則需要多少的
300℉飽和水蒸氣（lbm/hr）？
思路引導 VIP
本題屬於典型的蒸餾塔整體質能均衡（Mass and Energy Balance）計算。解題三步驟：首先透過總質量與成份質量守恆求出塔頂（D）與塔底（B）的產量；接著利用回流比求出冷凝器的熱負荷（Q_C）；最後將整個蒸餾塔視為控制體積，列出總能量守恆方程式求出再沸器的熱負荷（Q_R），再除以加熱蒸汽的凝結潛熱即可得所需蒸汽量。