110 中央造幣廠評價職 化工技術員 化工機械 考古題詳解

核心觀念

本題考查化學反應器依「物料進出方式」所作的分類，並比較批式反應器與連續式反應器在操作方式、反應時間、物料濃度、控制方式及生產特性上的差異。

反應器設計的基本依據是物料衡算：

$$\text{累積量}=\text{流入量}-\text{流出量}+\text{生成量}$$

批式反應器在反應期間通常沒有物料流入與流出；連續式反應器則在操作期間持續進料並持續排出產品。

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一、批式反應器（Batch Reactor）

批式反應器是將反應物一次加入反應槽內，經過預定時間反應，反應完成後再停止操作並排出產物。

其操作程序通常為：

1. 加入原料。
2. 加熱、冷卻、攪拌或加壓。
3. 在反應槽內反應一段時間。
4. 停止反應並排出產品。
5. 清洗設備後進行下一批操作。

在反應進行期間，反應物濃度會隨時間改變，因此屬於非定態操作。若反應槽體積維持不變，反應物 $A$ 的設計方程式為：

$$\frac{dC_A}{dt}=r_A$$

其中 $C_A$ 為反應物濃度，$r_A$ 為反應速率；若以反應物消耗速率表示，則可寫成：

$$\frac{dC_A}{dt}=-(-r_A)$$

以一級反應 $-r_A=kC_A$ 為例：

$$\frac{dC_A}{dt}=-kC_A$$

積分後得：

$$\ln\frac{C_A}{C_{A0}}=-kt$$

可見批式反應器主要以「反應時間」作為設計與操作的重要依據。

主要特性：

• 反應期間通常無連續進料及連續出料。
• 物料濃度、溫度及反應速率隨時間改變。
• 操作具有批次性，批與批之間需要裝料、卸料及清洗。
• 適合少量、多品種或配方經常變更的產品。
• 操作彈性高，便於改變反應條件。
• 生產效率會受到裝卸料、清洗及升降溫時間影響。
• 常見於藥品、染料、樹脂、特殊化學品及實驗室反應。

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二、連續式反應器（Continuous Reactor）

連續式反應器是在反應進行期間持續加入原料，同時持續排出反應混合物，使反應器可以長時間連續運轉。

連續式反應器主要包括：

• 連續攪拌槽式反應器（CSTR）
• 管式反應器或活塞流反應器（PFR）

在正常操作下，連續式反應器通常達到定態，反應器內各位置的濃度與溫度不再隨時間改變；但在管式反應器中，物料性質會沿著流動方向改變。

對連續攪拌槽式反應器，定態物料衡算為：

$$F_{A0}-F_A+r_AV=0$$

若以反應物消耗速率 $-r_A$ 表示，則：

$$F_{A0}-F_A=(-r_A)V$$

因此：

$$V=\frac{F_{A0}-F_A}{-r_A}$$

對活塞流反應器，則以微分物料衡算表示：

$$\frac{dF_A}{dV}=r_A$$

連續式反應器主要以「停留時間」或「反應器體積與進料流率的關係」作為設計依據。空間時間可表示為：

$$\tau=\frac{V}{v_0}$$

其中 $V$ 為反應器體積，$v_0$ 為入口體積流率。

核心觀念

本題考查「分餾」的分離原理與操作程序。

分餾是利用混合物中各成分的揮發度不同，亦即沸點不同、蒸氣壓不同，進行分離。沸點較低、蒸氣壓較高的成分較容易汽化，稱為較易揮發成分；沸點較高、蒸氣壓較低的成分則較不易汽化。

在相同外界壓力下，成分的沸點大小规律如下：

• 沸點低者：揮發度大，較容易進入氣相。
• 沸點高者：揮發度小，較容易留在液相。

分餾特別適合分離沸點相近的液體混合物，因為分餾柱可使汽化與冷凝反覆進行，提高分離效果。

解題方法

判斷分餾原理時，抓住兩個關鍵：

1. 混合物各成分具有不同的揮發度。
2. 各成分的沸點或蒸氣壓不同。

加熱混合液時，低沸點成分優先汽化，所得蒸氣中低沸點成分的比例較高。蒸氣上升通過分餾柱時，會與下降的冷凝液充分接觸，進行多次氣液平衡。每次接觸都會使氣相更加富含低沸點成分，液相則相對富含高沸點成分，因此能達到較佳的分離效果。

分餾程序

分餾的基本程序如下：

1. 將液體混合物置於蒸餾瓶中，加入沸石或使用適當攪拌設備，以避免暴沸。
2. 連接分餾柱、蒸餾頭、溫度計、冷凝器及收集容器。
3. 緩慢加熱混合物，使較易揮發、沸點較低的成分先汽化。
4. 蒸氣上升通過分餾柱；在柱內反覆進行冷凝與再汽化。
5. 較高沸點的成分較容易冷凝並回流至下方，較低沸點的成分則較容易隨蒸氣上升。
6. 蒸氣進入冷凝器後被冷卻成液體，收集為餾出液。
7. 依據蒸餾溫度的變化分段收集餾分。

核心觀念

鰭片（fin）的主要功能，是在設備外表面或管壁上增加固體與流體接觸的有效傳熱面積，以提高對流熱傳率，達到散熱或加熱強化的目的。

基本對流熱傳公式為：

$$\dot Q=hA\left(T_s-T_\infty\right)$$

其中：

• $\dot Q$：熱傳率
• $h$：對流熱傳係數
• $A$：與流體接觸的傳熱面積
• $T_s$：固體表面溫度
• $T_\infty$：周圍流體溫度

在 $h$、$T_s$ 與 $T_\infty$ 大致不變時，增加傳熱面積 $A$，即可提高總熱傳率。因此，鰭片常用於散熱器、冷凝器、熱交換器、引擎汽缸、電子元件散熱裝置及化工設備表面。

解題方法

本題應從「對流熱傳」切入，說明鰭片如何使熱量增加。完整解釋如下：

1. 熱量先由高溫設備本體，以熱傳導方式傳至鰭片。
2. 鰭片再將熱量經由其表面，以對流方式傳給周圍流體。
3. 鰭片延伸至流體中，使原本不易與流體接觸的固體區域形成額外傳熱表面。
4. 總傳熱面積增加，使設備與流體間的熱交換量提高。

若沒有鰭片，設備主要只能透過原有外表面與流體交換熱量；加裝鰭片後，傳熱面積由基底面積增加為鰭片表面及其周圍可利用的面積，故熱傳率提高。

理想化地表示：

$$\dot Q_{\text{無鰭片}} =hA_b\left(T_b-T_\infty\right)$$

加裝鰭片後：

$$\dot Q_{\text{有鰭片}} \approx h\left(A_b+A_f\right) \left(T_b-T_\infty\right)$$

其中 $A_b$ 為原本基底面積，$A_f$ 為鰭片增加的表面積。由於鰭片沿長度方向會產生溫降，鰭片平均溫度低於基底溫度，實際熱傳率需考慮鰭片效率 $\eta_f$：

$$\dot Q_f=\eta_f hA_f\left(T_b-T_\infty\right)$$

因此整體熱傳率可表示為：

$$\dot Q_{\text{total}} =hA_b\left(T_b-T_\infty\right) +\eta_f hA_f\left(T_b-T_\infty\right)$$

核心觀念

本題考查膜分離程序中「逆滲透（RO）」與「超濾（UF）」的分離原理、膜特性、操作壓力、截留對象及實際用途。

兩者皆屬於以壓力為主要驅動力的加壓膜分離程序，但分離尺度不同：

• 逆滲透 RO：主要去除溶解性鹽類、離子及小分子物質。
• 超濾 UF：主要去除懸浮固體、膠體、細菌、病毒及大分子有機物。

判斷兩者差異的核心，可由下列四點切入：

1. 膜孔徑或有效分離尺度。
2. 所需操作壓力。
3. 可截留物質的種類。
4. 分離機制是以溶解—擴散為主，或以篩分為主。

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解題方法

比較膜分離程序時，可依序說明：

$$\text{原理} \rightarrow \text{驅動力} \rightarrow \text{膜特性} \rightarrow \text{截留對象} \rightarrow \text{操作及用途}$$

如此可完整涵蓋考試所要求的「異同點」，避免只比較孔徑而遺漏操作及應用層面的差異。

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一、逆滲透與超濾的共同點

1. 皆屬膜分離程序

RO 與 UF 均利用選擇透過性膜，使進料液分成：

• 透過液（permeate）：穿過膜的液體。
• 濃縮液或截留液（retentate）：未通過膜、被膜截留的液體。

2. 皆以跨膜壓差為主要驅動力

兩者皆在膜兩側建立壓力差，使部分水分透過膜。跨膜壓差可表示為：

$$\Delta P=P_{\text{feed}}-P_{\text{permeate}}$$

實際有效驅動力仍須考慮滲透壓，因此膜分離的水通量可概念性表示為：

$$J_w=A(\Delta P-\Delta \pi)$$

其中：

• $J_w$：水通量
• $A$：膜的透水係數
• $\Delta P$：跨膜壓差
• $\Delta \pi$：膜兩側滲透壓差

對 UF 而言，溶液中的大分子及膠體通常造成的滲透壓差較小，因此操作上主要由 $\Delta P$ 提供分離驅動力；RO 則必須克服顯著的滲透壓。

3. 皆可採用錯流操作

膜程序常採用錯流（cross-flow）方式，使進料液沿膜面流動，降低濃差極化與膜面沉積。兩者也都可能產生：

• 濃差極化
• 膜污染
• 通量下降
• 膜清洗及更換需求

4. 皆可用於水及水溶液處理

RO 與 UF 均廣泛應用於：

• 工業用水處理
• 製程水回收
• 廢水處理
• 飲用水或純水前處理
• 食品及製藥製程

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二、逆滲透與超濾的主要差異

比較項目	逆滲透 RO	超濾 UF
分離原理	以溶解—擴散及選擇透過為主	以孔徑篩分為主
膜結構	通常為緻密、近似無孔膜	多孔膜
分離尺度	可去除離子及小分子	主要去除膠體、大分子及微粒
典型膜孔徑	約小於 $0.001\ \mu\text{m}$，常以有效分離尺度表示	約 $0.001\sim0.1\ \mu\text{m}$
常用壓力	約 $1\sim10\ \text{MPa}$，視水質及鹽度而定	約 $0.1\sim1\ \text{MPa}$
滲透壓影響	顯著，必須克服進料液滲透壓	通常較小
可去除物	溶解鹽、離子、部分小分子有機物、微生物	懸浮固體、膠體、細菌、部分病毒、大分子有機物
對無機鹽去除能力	高	低，通常無法有效去除溶解鹽
產水特性	可製得低導電度水或純水	主要獲得澄清、低濁度水
能耗	較高	較低
主要用途	海水淡化、純水製造、脫鹽	濁度去除、膠體去除、RO 前處理

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三、逆滲透（RO）的原理

1. 自然滲透

若半透膜兩側分別為純水與鹽水，水會由低濃度側流向高濃度側，此現象稱為滲透。

滲透壓可理解為阻止水繼續滲透所需施加的壓力。對稀溶液而言，可用范特荷夫關係式表示：

$$\pi=iCRT$$

其中：

• $\pi$：滲透壓
• $i$：范特荷夫因子
• $C$：莫耳濃度
• $R$：氣體常數
• $T$：絕對溫度

2. 逆滲透

若在高濃度溶液側施加高於滲透壓的壓力，水便會反向由高濃度側穿過膜，流向低濃度側，此即逆滲透。

其必要條件為：

$$\Delta P>\Delta \pi$$

因此，RO 的操作壓力必須大於進料液與透過液之間的滲透壓差。

3. RO 的分離機制

核心觀念

本題考查攪拌操作依「被處理物料性質、流動狀態及混合機制」所作的分類：

• Agitation：主要處理低黏度流體，使槽內液體產生循環流動。
• Kneading：主要處理高黏度、膏狀或可塑性物料，藉強烈剪切、壓縮與揉捏使其均勻。
• Blending：主要處理粉體、粒狀固體或較易混合的物料，使不同成分達到均勻分布。

三者均屬混合操作，但混合對象與主要作用力不同。

解題方法

作答時可依序從「物料性質」、「主要混合機制」、「常用設備」及「典型用途」說明，即可完整區分三種攪拌型態。

一、Agitation

定義與特色

Agitation 通常譯為「攪動」或「流體攪拌」，是以攪拌槳、螺旋槳或渦輪等設備，使槽內液體產生持續循環流動。

其重點不是單純使液體旋轉，而是藉由流體的軸向流、徑向流及循環流，使槽內各處的物料充分接觸。

主要特性

1. 處理物料以低黏度流體為主，如水、溶液、低黏度油品。
2. 主要依靠液體的整體循環與紊流促進混合。
3. 可同時增進：

• 液體均勻混合
• 固體顆粒懸浮
• 氣體分散
• 液液分散
• 熱傳與質傳

4. 常見於槽式反應器、溶解槽、發酵槽及儲槽。
5. 常用攪拌器包括：

• Propeller，螺旋槳式
• Turbine，渦輪式
• Paddle，槳式
• Anchor，錨式

混合機制

低黏度液體中，攪拌器旋轉後產生流體循環。若流動足夠強，液體內形成紊流，藉由渦流及液體間的相互交換迅速降低濃度與溫度差異。

因此，Agitation 的核心可概括為：

以流體循環及紊流，使液體達到均勻狀態。

二、Kneading

定義與特色

Kneading 譯為「捏合」或「揉合」，主要用於高黏度、半固體、膏狀及具有可塑性的物料。

此類物料流動性低，單靠一般攪拌槳所造成的循環流動不足以達到均勻混合，因此必須利用攪拌葉片對物料進行強烈的推擠、剪切、壓縮及拉伸。

主要特性

1. 處理物料黏度高、流動性差，如膏體、黏土、樹脂、橡膠及高固含量混合物。
2. 主要混合作用包括：

• 剪切
• 壓縮
• 拉伸
• 折疊
• 揉捏

3. 常需使用高扭矩、低轉速設備。
4. 混合過程中可能伴隨物料塑性變形及粒團破碎。
5. 適合添加少量液體、顏料、填料、藥劑或黏結劑，使其均勻分散於膏狀物中。

常用設備

• Sigma blade kneader，σ 型葉片捏合機
• Z-blade mixer，Z 型葉片混合機
• Double-arm kneader，雙臂捏合機
• Banbury mixer，密煉機

混合機制

Kneading 並非依靠低黏度流體的自由循環，而是利用葉片反覆將物料推向器壁、彼此擠壓並重新折疊，使物料逐漸均勻。

因此，Kneading 的核心可概括為：

以高剪切及強制揉捏，使高黏度或膏狀物料均勻分散。

三、Blending

定義與特色

核心觀念

本題考查管配件（pipe fitting）的用途、幾何形狀、連接方向與管徑變化。三者均用於管路系統，但功能不同：

• Elbow（彎頭）：改變管路流向。
• Tee（三通管）：使管路分流或合流。
• Reducer（異徑管、縮徑管）：連接不同管徑的管線，使流通截面積改變。

判斷重點可歸納如下：

管配件	主要功能	管路方向	管徑是否改變
Elbow	改變流向	由一方向轉為另一方向	通常不變
Tee	分流或合流	一進二出，或二進一出	可相同，也可不同
Reducer	管徑變換	通常維持同一直線方向	必定連接不同管徑

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解題方法

作答時依序說明每種管配件的：

1. 英文名稱與中文名稱；
2. 外形與連接口數；
3. 管路功能；
4. 常見用途；
5. 簡圖。

本題沒有計算，應以「流向」與「管徑」作為主要判斷軸線：

• 流向改變：Elbow。
• 管路分支：Tee。
• 管徑改變：Reducer。

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一、Elbow（彎頭）

定義與功能

Elbow 又稱彎頭，用於改變管路的流動方向，使管線產生轉彎。

最常見的彎頭角度為：

• $45^\circ$ 彎頭；
• $90^\circ$ 彎頭；
• $180^\circ$ 彎頭，也常稱回彎頭。

其中 $90^\circ$ 彎頭最常用於使水平管線轉為垂直管線，或使管線由一方向轉向垂直方向。

簡圖

$90^\circ$ 彎頭：

入口
 ──────┐
 │
 │
 ↓
 出口

$45^\circ$ 彎頭：

入口
 ───────╲
 ╲
 ╲
 ↓ 出口

特性

1. 具有兩個管口。
2. 主要作用是改變流向。
3. 在同徑彎頭中，兩端管徑相同。
4. 彎曲半徑會影響壓力損失及流體流動平順性。
5. 可依連接方式分為螺紋式、法蘭式、承插焊式及對焊式等。

工程用途

彎頭常用於：

• 配合設備與管線的空間配置；
• 避開障礙物；
• 將水平管轉為垂直管；
• 連接不同方向的管線。

彎頭會造成局部壓力損失，設計管路時需將其列入局部阻力計算。

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二、Tee（三通管）

定義與功能

Tee 又稱三通管，具有三個管口，可將一條管線分成兩條支管，或將兩條支管合併成一條主管。

依流體用途可分為：

• 等徑三通（Equal Tee）：三個管口管徑相同。
• 異徑三通（Reducing Tee）：支管與主管的管徑不同。

簡圖

一般等徑三通：

 支管
 │
 │
入口 ───────┼────── 出口

分流狀態：

 出流
 ↑
 │
入流 ──────────┼────────
 │
 出流

實際管路配置可依安裝方向旋轉，三通的核心特徵是具有一個分支接口。

特性

1. 具有三個管口。
2. 可用於分流，也可用於合流。
3. 三個管口可同徑，也可採異徑設計。
4. 主管通常指管徑較大的直通方向，支管則接在側向分支。
5. 會產生分流、合流及流向改變所造成的局部壓力損失。

工程用途

三通常用於：

• 將主管流體分送至不同設備；
• 將多條支管匯入主管；
• 建立製程旁通管線；
• 接設排放、取樣或循環管路。

在流體系統中，三通的支管流量會受到各支路阻力、閥件開度及壓差影響，並非自動平均分配。

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題目七　名詞解釋與應用實例

(一) NPSH（Net Positive Suction Head，淨正吸入揚程）

核心觀念

NPSH 是判斷泵浦吸入口液體是否具有足夠壓力、避免發生汽蝕（cavitation）的重要參數。其物理意義為：

泵浦吸入口處液體的絕對總壓頭，扣除該液體在操作溫度下的蒸氣壓頭。

工程上分為：

1. NPSH available，$NPSH_a$：可用淨正吸入揚程 由系統管路、液位、液體溫度及壓力所決定。

2. NPSH required，$NPSH_r$：需求淨正吸入揚程 由泵浦製造商根據泵浦結構、流量及轉速提供。

泵浦正常運轉的必要條件為：

$$NPSH_a > NPSH_r$$

實務上還須保留適當安全裕度。

解題方法

由泵浦吸入口能量關係，$NPSH_a$ 可表示為：

$$NPSH_a= \frac{P_{s,\mathrm{abs}}-P_v}{\rho g} +\frac{v_s^2}{2g}$$

其中：

• $P_{s,\mathrm{abs}}$：泵浦吸入口絕對壓力
• $P_v$：液體操作溫度下的蒸氣壓
• $\rho$：液體密度
• $v_s$：吸入口流速
• $g$：重力加速度

若吸入槽為開口槽，則可由液面至泵浦吸入口的高程差，扣除吸入管路摩擦損失，並加上大氣壓頭，再扣除蒸氣壓頭：

$$NPSH_a= \frac{P_{\mathrm{atm}}}{\rho g} +H_{\mathrm{static}} -h_f -\frac{P_v}{\rho g}$$

應用實例

熱水由儲槽輸送至製程設備時，液體溫度升高會使蒸氣壓 $P_v$ 增加，導致 $NPSH_a$ 降低。若泵浦吸入管過長、管徑過小或吸入槽液位太低，摩擦損失 $h_f$ 增加，也會降低 $NPSH_a$，造成泵浦葉輪附近產生氣泡、噪音、振動及性能下降。

解題技巧

• 一定使用絕對壓力，不能直接以表壓代入。
• 液體溫度越高，蒸氣壓越高，汽蝕風險越大。
• $NPSH_a$ 必須大於 $NPSH_r$。
• 「泵浦吸入側壓力不足而發生汽蝕」是 NPSH 的核心判斷。

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(二) Pressure Vessel（壓力容器）

核心觀念

Pressure vessel 是指用於容納氣體、液體或氣液混合物，且內部壓力與外界壓力不同，必須依設計壓力、設計溫度及材料強度製造的密閉容器。

壓力容器主要承受：

• 內部壓力造成的筒壁應力
• 外部壓力造成的挫曲或塌陷
• 高溫造成的材料強度降低
• 腐蝕、疲勞及熱應力

常見構造包括圓筒形筒身、封頭、法蘭、人孔、壓力表、安全閥及排放口。

解題方法

解釋此名詞時，應掌握「密閉容器」、「壓力差」及「安全設計」三個要點。薄壁圓筒承受內壓時，環向應力約為：

$$\sigma_h=\frac{PD}{2t}$$

縱向應力約為：

$$\sigma_l=\frac{PD}{4t}$$

其中：

• $P$：內外壓力差
• $D$：容器內徑
• $t$：筒壁厚度

由於環向應力約為縱向應力的兩倍，圓筒壓力容器的環向強度設計通常較關鍵。實際設計仍須考慮焊接效率、腐蝕裕度、材料許用應力、溫度及相關壓力容器規範。

應用實例

• 化工廠的蒸餾塔回流罐
• 壓縮空氣儲槽
• 蒸汽鍋爐
• 液化石油氣儲槽
• 高壓反應器
• 熱交換器的殼側及管側空間

例如高壓反應器需容納高壓反應物，容器筒身及封頭必須依設計壓力與溫度選定材料及厚度，並設置安全閥及壓力指示裝置。

解題技巧

• 壓力容器不只是「大型儲槽」，重點在於容器內外存在具有工程意義的壓力差。
• 安全閥是壓力容器的重要過壓保護設備。
• 壓力越高、直徑越大，所需壁厚通常越大。
• 不能只寫「裝液體的容器」，必須寫出承壓與安全設計概念。

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(三) Packed Bed（填充床）

核心觀念

Packed bed 是將固體顆粒、填料或觸媒填充於塔器或反應器內，形成固定填充層，使流體通過填充物孔隙而與固體接觸，或使兩種流體增加接觸面積。

在化工設備中常見兩種用途：

1. 氣液傳質用填充床 以填料增加氣液接觸面積，例如吸收塔、氣提塔及洗滌塔。

2. 固體觸媒填充床 以顆粒觸媒形成固定床，使反應物流經觸媒表面進行反應，例如固定床反應器。

常用填料包括 Raschig ring、Pall ring、鞍形填料及結構化填料。

解題方法

分析 packed bed 時，應注意三項核心特性：

• 空隙率：填料間可供流體通過的體積比例。
• 壓降：流體通過填充層時因摩擦及繞流所產生的壓力損失。
• 接觸面積：填料提供較大的比表面積，有利於傳質或反應。

流體流經填充床時，壓降通常隨流速增加而增加。若氣液流量過高，液體無法順利向下流動，會造成液泛（flooding）；若液體分布不均，則會產生偏流或溝流（channeling）。

應用實例