高考申論題
115年
[化學工程] 反應工程及單元操作
第 一 題
📖 題組：
設計板塔以純水吸收空氣中濃度為 20 mol%SO2，已知進入塔內純水與空氣流量分別為 6000 kg / hr·m² 與 150 kg / hr·m²，以逆流方式在板效率為 60%的塔板（tray）上進行氣液接觸，要求離開板塔時空氣中 SO2 濃度降為 2 mol%。假設板塔操作溫度與壓力定為 293 K 與 1 atm。
設計板塔以純水吸收空氣中濃度為 20 mol%SO2，已知進入塔內純水與空氣流量分別為 6000 kg / hr·m² 與 150 kg / hr·m²，以逆流方式在板效率為 60%的塔板（tray）上進行氣液接觸，要求離開板塔時空氣中 SO2 濃度降為 2 mol%。假設板塔操作溫度與壓力定為 293 K 與 1 atm。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
求離開板塔時水中 SO2濃度為多少 mol%？（5 分）
思路引導 VIP
氣體吸收的總體物料平衡。關鍵在於處理「惰性氣體」與「純溶劑」的流量。題目給的是混合物總質量流量 (kg/h·m²)，這通常是考生的痛點。一般吸收塔操作假設氣體中的惰性成分（空氣）與液體中的溶劑（水）流量不變。
- 首先需要把總流量轉換為莫耳流量或莫耳通量。空氣平均分子量約 29，水分子量 18，SO2 分子量 64。
小題 (二)
圖五中操作線為何？（5 分）
思路引導 VIP
這是一題觀念送分題。請仔細觀察圖五 (McCabe-Thiele diagram 形式)。圖中有兩條線：一條是曲線或帶斜率的直線標示為 "equilibrium line" (平衡線)；另一條則連接了操作的進出口端點。操作線 (Operating line) 代表了吸收塔內部任一截面上，氣相與液相組成的實際物料平衡關係。你只要在答案中明確指出圖五中代表操作線的特徵即可。
小題 (三)
參考圖五估算理論板數與實際板數。（10 分）
思路引導 VIP
使用圖解法 (McCabe-Thiele method) 計算階數。
- 估算理論板數：從操作線的頂端點 (x0, y1) 出發，畫水平線打到平衡線 (equilibrium line)，再畫垂直線打回操作線。這就是一個「理論板 (theoretical stage)」。跟著圖五中已經畫好的虛線階梯往下數。數數看有幾個完整的三角形。圖五中畫了 2 階完整階梯，加上最後一小段到達 $y=0.20$，總共算起來大約是多少階？