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moea_joint_essay 111年 [化工製程] 單元操作、輸送現象

第 三 題

📖 題組:
旋風分離器廣泛應用於工業的空氣污染防制上,請回答下列問題:(3 題,共計 20 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

若此旋風分離器處理後之粒徑分布如下表,請計算其整體收集效率(計算至小數點後第 3 位,以下四捨五入)。(10 分)
註:ηj = 1 / (1+(dp, 50 %/dp, j)^2)

| 粒徑範圍(μm) | 於此粒徑範圍下之質量分率 |
|---|---|
| 0 ~ 2 | 1.0 % |
| 2 ~ 4 | 9.0 % |
| 4 ~ 6 | 10.0 % |
| 6 ~ 10 | 30.0 % |
| 10 ~ 18 | 30.0 % |
| 18 ~ 30 | 14.0 % |
| 30 ~ 50 | 5.0 % |
| 50 ~ 100 | 1.0 % |

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列表將各粒徑範圍取平均粒徑 dp,j 作為代表值。將每個 dp,j 與 dp,50% = 5.80 μm 代入提供的效率公式 ηj 中算出該區間的分級效率。最後將每個區間的 ηj 乘上其對應的質量分率,加總起來即為整體收集效率 η_total = Σ(ηj * mj)。

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首先求各區間代表粒徑 $d_{p,j}$ (取算術平均值),並代入公式 $\eta_j = \frac{1}{1 + (d_{p,50%} / d_{p,j})^2}$ 計算分級效率。已知 $d_{p,50%} = 5.80 \text{ } \mu\text{m}$。 整體效率 $\eta_{total} = \sum (\eta_j \times m_j)$。

  1. 區間 0~2 μm:$d_{p,j} = 1.0 \text{ } \mu\text{m}$,質量分率 $0.01$

小題 (一)

請問其工作原理並列舉 2 個優勢。(5 分)

思路引導 VIP

簡述旋風分離器利用離心力將顆粒與氣流分離的原理。優勢方面可提及結構簡單、成本低、耐高溫高壓、無活動部件等工業常見優點。

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  1. 工作原理: 旋風分離器利用含塵氣流以切線方向進入本體後產生高速旋轉的氣流(離心力場)。由於固體顆粒的密度遠大於氣體,受到的離心力將顆粒甩向器壁。顆粒碰觸器壁後失去動能,受重力作用沿錐體壁面落入底部的集灰斗排出;而淨化後的氣體則在中心形成向上的內旋流,由頂部排氣管排出。
  2. 優勢 (列舉兩點):

小題 (二)

若採用一個 Conventional type 旋風分離器如【圖 5】所示,其處理流量為 150 m3/min,處理之固體顆粒密度(ρp) 為 1600 kg/m3,尾氣密度(ρa) 為 1.225 kg/m3,尾氣黏度(μa)為 1.8×10-5 kg/(m·s),如採用 Lapple model(1951),請計算其 dp,50% (計算至小數點後第 2 位,以下四捨五入)。(5 分)
註:dp, 50%= [ 9μaW / (2πNVi(ρp-ρa)) ]^1/2
題目圖片

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套用題目提供的 Lapple model 公式。需先由圖中讀取 W (入口寬度 0.25m) 與 H (入口高度 0.5m)。利用 Q = Vi * A = Vi * W * H 算出入口速度 Vi。接著計算有效旋轉圈數 N = (1/H) * (LB + LC/2),從圖中得 LB=2.0m, LC=2.0m。最後將所有參數代入 dp,50% 公式中,求出臨界粒徑(單位通常為 m 轉 μm)。

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  1. 氣流入口速度 $V_i$: 流量 $Q = 150 \text{ m}^3/\text{min} = 2.5 \text{ m}^3/\text{s}$ 由圖 5 得入口寬度 $W = 0.25 \text{ m}$,高度 $H = 0.5 \text{ m}$。