109 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

氣體吸收與液液萃取都屬於流體接觸傳質操作。逆流操作時，兩相沿相反方向流動；順流操作時，兩相沿相同方向流動。傳質推動力取決於兩相間的濃度差或平衡偏離程度。

解題方法

比較兩種流向對傳質推動力、設備操作及出口組成的影響：

• 順流式的優點：

1. 兩相在入口端接觸時濃度差通常較大，初始傳質速率較高。
2. 兩相流向相同，設備配置與流體輸送較簡單；對容易乳化、需要短時間接觸的萃取系統，操作上可能較方便。
3. 兩相接近共同出口時，組成趨於接近平衡，傳質推動力減小，較不易出現逆流操作中因兩端組成差異造成的局部操作限制。

• 順流式的缺點：

1. 兩相接觸後逐漸趨近平衡，沿設備長度方向的傳質推動力快速下降，平均推動力較小。
2. 因此，在相同設備尺寸下，順流的傳質量與分離程度通常低於逆流；要達到相同分離效果，常需增加接觸面積、設備長度或級數。
3. 順流出口兩相組成受共同平衡狀態限制，通常難以像逆流操作一樣，使一股流體的出口濃度大幅低於另一股流體的入口濃度。

逆流操作的主要優勢是沿程維持較大的平均傳質推動力，因此通常具有較高的分離效率；順流則常以配置簡單或操作便利作為取捨。

解題技巧

看到「順流與逆流」比較，抓住一個判斷主軸：順流的兩相沿程愈來愈接近平衡，逆流則較能維持傳質推動力。作答時分別交代推動力、分離效果與設備操作，便能完整說明優缺點。

（二）使溶液達到過飽和的方法

核心觀念

結晶的必要條件是溶液達到過飽和，使溶質濃度高於該條件下的平衡溶解度。過飽和可藉由改變溫度、移除溶劑或改變溶液組成等方式形成。

解題方法

列出三種常見方法，並說明造成過飽和的原因：

1. 冷卻法：​降低溶液溫度，使溶質溶解度下降；原先溶解的溶質超過低溫下的溶解度，因而形成過飽和並析晶。適用於溶解度隨溫度下降而明顯降低的系統。

核心觀念

本題考查兩項基本分類：固體減積設備施加在物料上的作用力，以及固體—固體機械分離所利用的物性差異。前者著眼於物料如何被破碎；後者著眼於混合固體依據什麼差異分流。

解題方法

（一）固體減積設備依據的五種作用力

固體減積是利用外力克服固體內部的結合力，使顆粒破裂或尺寸減小。設備分類常依主要施力方式，列出以下五種：

1. 壓縮力：從相對方向擠壓物料，使其破裂，例如顎式碎礦機。
2. 衝擊力：以高速撞擊物料，使其破碎，例如錘磨機。
3. 剪切力：使物料受方向相反或不等速的切向作用而破裂，例如剪切式切碎設備。
4. 磨擦力：使物料表面互相摩擦或與設備表面摩擦，造成磨耗或粉碎，例如磨擦磨機。
5. 彎曲力：使物料承受彎曲變形，超過其強度後斷裂。

實際設備常同時運用數種作用力，作答時列出五種基本作用力即可。

核心觀念

本題考雙套管逆流熱交換器的熱量衡算與對數平均溫差法。假設熱交換器為穩態操作、無熱損失，且兩側流體的比熱與流量維持不變。

熱油放出的熱量等於冷卻水吸收的熱量：

熱傳面積由總熱傳方程式求得：

其中逆流的兩端溫差為：

解題方法

（一）求冷卻水出口溫度

先由熱油側計算熱負荷：

將熱量衡算式整理，求得冷卻水出口溫度：

（二）求熱傳面積

逆流兩端溫差分別為：

因此：

核心觀念

本題考精餾塔的全塔物料衡算、苯組分衡算，以及回流比的定義。若冷凝器為全凝器，塔頂蒸氣全部冷凝後分成餾出物與回流液，因此：

其中 $L_0$ 為回流量、$D$ 為餾出量、$V$ 為進入冷凝器的塔頂蒸氣流率。

解題方法

題目文字稱餾餘物中「甲苯」質量分率為 $0.15$，依此解讀，餾餘物中苯的質量分率為 $0.85$。但進料苯分率只有 $0.40$，而餾出物與餾餘物的苯分率分別為 $0.95$、$0.85$，兩股產品都比進料更富含苯，無法符合物料衡算。

依附圖標示 $x_B=0.15$，以下採用常見的命題意圖：餾餘物中苯的質量分率為 $0.15$。

令餾出量為 $D$、餾餘量為 $B$。全塔總質量衡算為：

苯組分衡算為：

以 $B=800-D$ 代入：

核心觀念

淨正吸引揚程（NPSH）表示泵入口處液體的絕對壓力水頭，高於該液體蒸氣壓水頭的部分。此題計算泵可用的 NPSH（NPSH available，簡稱 NPSH$_a$），以貯桶液面為基準套用伯努力方程：

其中 $P_{\text{液面}}$ 是桶內絕對壓力，$P_v$ 是苯的蒸氣壓，$\rho$ 是苯的密度，$h_f$ 是入口管路摩擦損失水頭。桶內液面速度可忽略。

解題方法

先將壓力差換成水頭。桶內壓力與苯的蒸氣壓皆以大氣壓表示，因此：

苯的密度換算為 $\rho=0.85\ \mathrm{g/cm^3}=850\ \mathrm{kg/m^3}$。壓力差對應的水頭為：