108 高普考普通考試 化學工程 化工機械概要 考古題詳解

核心觀念

孔口板（orifice plate）是在管路中裝設一片中央開孔的薄板，使流體通過孔口時流速增加、靜壓降低。利用孔口板前後的差壓，配合伯努力方程式與連續方程式，即可求得流量。

流體通過孔口後，流束會繼續收縮至縮流斷面（vena contracta），該處流速最高、壓力最低。實際流動有收縮與能量損失，因此理論流量須乘上流出係數修正。

解題方法與關係式

令管內徑為 $D$、孔口直徑為 $d$，管截面積與孔口面積分別為 $A_1$、$A_o$；孔口板前後壓差為 $\Delta P=P_1-P_2$，流體密度為 $\rho$。對水平管路，忽略兩測壓點間高差，理想流體的伯努力方程式為

配合連續方程式 $Q=A_1v_1=A_ov_o$，可得理論體積流量：

實際流量為

核心觀念

蒸發是藉由供熱使溶液中的部分溶劑汽化，以提高溶液濃度。三效蒸發器由三台蒸發器串聯組成，稱為第一效、第二效及第三效。外部加熱蒸汽供給第一效；第一效產生的二次蒸汽再作為第二效的加熱蒸汽，第二效產生的二次蒸汽再供第三效使用。

各效操作壓力依序降低，使蒸汽能在下一效較低的沸點下冷凝放熱。如此重複利用二次蒸汽，可減少外部蒸汽用量，提高蒸汽經濟度。三效蒸發器的蒸汽經濟度，通常以每單位外供蒸汽所蒸發的溶劑量表示。

解題方法與操作方式

依溶液流動方向，常見操作方式如下：

1. 順流（並流）：溶液由第一效依序流向第二、第三效，與蒸汽熱量利用方向一致。第一效溫度與壓力最高，溶液可藉效間壓差流動，通常不必逐效加設輸送泵；但溶液逐效降溫、濃度升高，末效黏度可能增大，傳熱與流動較不利。
2. 逆流：溶液由第三效逆向流至第一效，需用泵將溶液送往較高壓力的前一效。高濃度溶液可在較高溫度的效中處理，適合黏度隨濃度增加而顯著上升的溶液；缺點是泵送功較大。
3. 平流：各效分別進料，蒸發後的濃縮液分別取出，不以液體逐效流動為主。常用於含有容易結晶固體的溶液，便於各效分別控制與取出晶體。
4. 混流：結合順流與逆流等方式，依溶液黏度、沸點、熱敏性及設備條件安排流向，以兼顧操作便利與傳熱效果。

解題技巧

辨認操作方式時，先看「溶液流向」相對於效數排列：第一效到第三效是順流，第三效到第一效是逆流；各效各自進料則是平流。不要把溶液流向和二次蒸汽流向混為一談：二次蒸汽通常由前一效供給下一效作為加熱蒸汽。

（二）乾燥的定義與氣體乾燥方法

核心觀念

本題考查固體減積（size reduction）的目的，以及常見粉碎設備與其作用方式。減積是以機械力破壞固體，使粒徑變小、粒徑分布改變的單元操作；主要作用力包括壓縮、衝擊、剪切與磨擦。選擇設備時，須考量原料的硬度、韌性、脆性、含水率、進料粒徑、目標粒徑與所需處理量。

（一）減少尺寸的理由

減積的目的不只是把固體磨細，而是改善後續製程的效率與操作條件，主要理由如下：

1. 增加比表面積，提升傳質與反應速率 固體粒徑愈小，單位質量所具有的表面積通常愈大，有利於溶解、浸出、乾燥、燃燒、萃取及固體反應等操作。若顆粒近似球形，直徑為 $d$、密度為 $\rho$，其單位質量表面積為 $\frac{A}{m}=\frac{6}{\rho d}$ 因此粒徑減半時，單位質量表面積約增加一倍。

2. 使固體與其他物料混合均勻 將固體磨至適當粒徑，可改善固體與液體、氣體或其他固體的接觸，減少混合不均，提升配料與產品品質。

3. 利於分離與後續處理 適當減積可使固體更容易進行篩分、溶解、浸出或其他分離操作，也可使物料符合後續設備的進料粒徑要求。

4. 改善輸送、計量與操作穩定性 粒徑適當且分布均勻的固體，較容易定量供料與控制製程；過大的顆粒則可能造成堵塞、處理不均或操作效率降低。

減積不宜一味追求最小粒徑：過度粉碎會增加能量消耗，並可能造成粉塵、團聚、設備磨耗或後續分離困難。因此實務上應以達到製程所需粒徑為準。

（二）縮小尺寸的裝置與方式

解題方法

可先依物料特性與目標粒徑選設備，再說明設備所利用的主要破碎方式。粗碎通常使用承受大塊物料的破碎機；細碎與研磨則使用磨機。實際設備可能同時施加數種作用力，以下列出其主要機制。

核心觀念

本題考蒸餾塔的甲醇回收率、總物料衡算，以及回流幫浦的水力功率。

題目所稱「質量流率」的單位寫成 $\mathrm{kg\ mol/h}$，實際上是莫耳流率單位；以下依題目給定的單位，將流量視為 $\mathrm{kmol/h}$。計算幫浦功率時，則須將回流量換成體積流率，並用

其中 $\Delta P$ 為幫浦所需壓差、$Q$ 為體積流率、$\eta$ 為幫浦效率。

解題方法

設進料為 $F$、塔頂產品為 $D$、塔底廢液為 $B$，甲醇莫耳分率分別為 $z_F=0.80$、$x_D=0.99$。進料中甲醇流率為

甲醇回收率為 $95\%$，因此塔頂回收的甲醇為

塔頂產品含甲醇 $99\ \mathrm{mol}\%$，故塔頂總流率為

總物料衡算為 $F=D+B$，所以

幫浦計算方面，採用常見的回流幫浦估算：液體由塔頂回流槽送至塔頂，所需壓差包括塔內液柱靜壓及塔板壓降。塔板壓降為

液柱靜壓為

因此

核心觀念

本題考查燃燒爐的燃燒控制與燃燒尾氣粒狀污染物的分離。良好燃燒須讓燃料與氧化劑充分接觸、維持足夠溫度與反應時間，並適當供應空氣；尾氣中的粒狀物則依粒徑、濃度、氣體條件及所需去除效率，選用適當的集塵設備。

（一）良好燃燒的控制要素

解題方法

以燃燒的三項基本條件——可燃物、氧氣與熱——為基礎，再補上爐內混合與停留時間，即可完整說明燃燒控制。實務上常以「三個 T」概括：溫度（Temperature）、時間（Time）與紊流／混合（Turbulence），並搭配適當空氣量與燃料供應。

控制要素

1. 適當的空氣量與空燃比 供氧不足會造成不完全燃燒，產生一氧化碳、煙灰或未燃燃料；空氣過量則會稀釋高溫燃燒氣體、增加排煙熱損失，降低熱效率。因此應依燃料組成與負荷調整供風，通常採適當過量空氣，以確保燃燒完全而不致過度排煙。

2. 燃料與空氣充分混合 燃料與氧氣接觸不均會形成局部缺氧區，使燃燒不完全。可藉由適當的燃燒器設計、燃料霧化、爐內氣流紊流及合理的燃料與空氣分配，提升混合效果。

3. 足夠且穩定的燃燒溫度 爐溫須高於燃料的著火及持續燃燒所需條件，並維持穩定。溫度過低會使反應速率下降，增加未燃物與一氧化碳；爐溫過高則可能增加材料熱負荷及氮氧化物生成。

4. 足夠的高溫停留時間 燃燒氣體在高溫區停留時間須足以完成氧化反應。停留時間不足時，即使供氧充足且溫度高，仍可能有一氧化碳或未燃燃料隨尾氣排出。

5. 適當的燃料狀態與供料控制 液體燃料應適當霧化，固體燃料應有合宜粒度與供料速率；燃料供應、空氣供應與爐負荷須相互配合，避免燃料瞬間過量或燃燒不穩。

6. 爐體與燃燒器的操作狀況 維持燃燒器、噴嘴及送風設備正常，並避免漏風、積灰或局部流場不良；依燃燒狀況調整風門與燃料量，才能使火焰穩定並降低不完全燃燒。

**作答重點：**掌握「空氣量適當、混合充分、溫度足夠、時間足夠」，並說明各要素不足或失當的後果。

（二）燃燒後尾氣粒狀物去除裝置

解題方法