113 高普考高考三級 化學工程 反應工程及單元操作 考古題詳解
第 一 題15 分
圖一描述兩個串聯等溫 CSTR,並標示入料莫耳流量 、莫耳濃度 、反應器體積 ,以及各反應器出口濃度與轉化率等符號。若各反應器內為一級反應,反應速率為 ,且體積流速均為 。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 選 Damköhler number()描述此串聯等溫 CSTR 轉化率程度,定義無因次 。
(二) 以 Damköhler number()表示 Tank 1 的出口轉化率()。
(三) 若 ,以 表示 Tank 2 的出口轉化率()。
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核心觀念
本題考查:
- 一級反應的 Damköhler number 定義。
- 等溫、定常操作之 CSTR 物料衡算。
- 兩個 CSTR 串聯時,第二槽的進料濃度為第一槽出口濃度。
- 轉化率與濃度的關係:
對一級反應 而言,適用的 Damköhler number 為反應速率與流動速率之比。
解題方法
(一)Damköhler number 定義
對第 個 CSTR,平均停留時間為
因此定義
其中:
- :一級反應速率常數
- :第 個反應器體積
- :體積流率
由於 的單位為 ,而 的單位為時間,所以 為無因次數。
(二)Tank 1 的出口轉化率
Tank 1 的定常 CSTR 物料衡算為
因此
若體積流率為常數,則
且
代入得
整理:
由 ,可得
而 Tank 1 出口轉化率為
所以
(三)當 時,Tank 2 的出口轉化率
第 二 題20 分
設計年產 100 百萬磅(lb)乙烯的工業級製程,已知反應器內反應為乙烷裂解產生乙烯,反應器操作在 與 6 大氣壓下,且乙烷轉化率為 80%。
(一) 選用何種反應器較合適並說明原因?(5 分)
(二) 如何決定該反應器之膨脹係數(expansion factor,)?(5 分)
(三) 假設乙烷入料濃度為 ,及反應速率為 ,試求反應器體積為多少 ?(10 分)
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核心觀念
乙烷裂解反應為
每莫耳乙烷反應後生成兩莫耳氣體,總莫耳數增加,屬於氣相莫耳數增加的反應。題目考查反應器型式選擇、氣相反應的膨脹係數,以及定容理想氣相反應器的設計方程式。
(一)反應器選擇
選用**管式活塞流反應器(PFR)**較合適。乙烷裂解通常在高溫下進行,管式反應器可提供較大的傳熱面積,利於快速加熱反應物與控制高溫反應;活塞流操作也適合連續、大量氣體處理,並可避免全混式反應器的返混,使反應物沿反應器長度方向逐步反應。
(二)膨脹係數
以乙烷為反應物 ,反應式為
每反應 莫耳 ,氣體總莫耳數淨增加 莫耳。若進料只有乙烷,則每莫耳乙烷完全反應時,總莫耳數增加量為 ,因此
其中 為乙烷進料莫耳分率,。所以在定溫、定壓的氣相反應中,體積流率與總莫耳流率隨轉化率增加,關係為
在 時,。
(三)反應器體積
採用氣相 PFR 設計方程式:
以乙烷進料濃度 表示,定溫定壓下反應物濃度隨膨脹及反應而變:
速率式為 ,故
第 三 題15 分
某非恆溫反應器溫度操作如圖二所示, 為反應器入口溫度。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 寫出反應器入口溫度操作在那些個溫度時,會有多重穩態(multiple steady states)發生。
(二) 操作在那些反應器入口溫度下有存在不穩定之穩態溫度值,並說明對應圖中那些點。
(三) 若在黑點 8 穩態溫度()發生 改變,指出反應器最後穩態溫度為何?
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核心觀念
本題利用反應器穩態的圖解判斷法。穩態必須滿足反應速率曲線與操作線的交點條件:
其中 為反應器穩態溫度。對同一個入口溫度 ,若操作線與反應速率曲線有三個交點,即表示存在多重穩態。
穩定性判斷可由交點附近的斜率決定:
- 交點位於低溫或高溫分支:穩定。
- 交點位於中間上升分支:不穩定。
亦即,中間交點受到微小擾動後,不會回到原穩態,而會向鄰近的穩定穩態移動。
解題方法
依圖二逐一觀察各入口溫度所對應的操作線:
- 、、、:只有一個穩態交點。
- :有三個交點,為黑點 4、5、6。
- :有三個交點,為黑點 10、8、9。
因此,多重穩態發生的條件,是操作線穿過反應速率曲線的低溫穩定分支、中間不穩定分支及高溫穩定分支。
(一) 具有多重穩態的入口溫度
其中:
- 對應穩態點 4、5、6。
- 對應穩態點 10、8、9。
(二) 存在不穩定穩態的入口溫度及對應點
不穩定穩態位於同一操作線的中間交點,因此:
- 下的不穩定穩態為黑點 5。
- 下的不穩定穩態為黑點 8。
故答案為:
第 四 題15 分
如圖三所示流體在平板上流動形成邊界層厚度(boundary layer)分析。選用 von Karman 積分式:
其中, 為平板表面的剪應力, 為流體密度。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 假設層流(laminar)邊界層區內速度分布為:
試推導出在 位置的邊界層厚度()關係式。(10 分)
(二) 若紊流(turbulent)邊界層區拖曳係數(drag coefficient,)表示成:
為在 位置的 Reynolds number,試寫出紊流邊界層區內可能速度分布。(5 分)
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核心觀念
本題使用 von Karman 動量積分式:
其中:
- :平板壁面剪應力
- :流體密度
- :邊界層厚度
- :邊界層外主流速度
- :運動黏度
(一)層流邊界層厚度
題設速度分布為:
令:
則:
1. 計算動量積分項
由 、:
先計算:
又:
因此:
所以:
故:
因 為定值:
2. 計算壁面剪應力
牛頓流體壁面剪應力為:
由速度分布:
在 :
因此:
3. 代入 von Karman 積分式
整理得:
積分並使用前緣條件 於 :
第 五 題15 分
圖四描述半徑 金屬電纜線,其金屬面溫度為 ,外層包覆絕緣體,其熱傳導係數為 。已知絕緣塑膠材質之外緣表面溫度為 ,暴露環境溫度為 ,與熱對流係數為 。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 定義絕緣體臨界半徑,並試推導出。
(二) 假設電纜線長 、半徑 ,其金屬面溫度為 且 ,絕緣體 。若外界氣溫為 且 ,增加絕緣體達多少厚度時會低於電纜線未覆蓋絕緣體的熱損失量?(10 分)
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核心觀念
本題考查圓柱形絕緣體的臨界絕緣半徑。電纜加上絕緣層後,同時產生兩項影響:
- 絕緣層增加導熱熱阻,使熱損失降低。
- 外表面積增加,使對流熱阻降低,熱損失可能增加。
圓柱形電纜的臨界半徑為
當外半徑 時,增加絕緣厚度會使熱損失降低。
(一)臨界絕緣體半徑之推導
對長度為 的圓柱形電纜,絕緣層由 到 ,其總熱阻為導熱熱阻與對流熱阻串聯:
其中
因此
熱損失為
要使熱損失達到最大值,等價於使總熱阻達到最小值,因此令
可得
整理後:
故臨界絕緣半徑為
對圓柱形電纜而言,當 時,增加絕緣可能使熱損失增加;當 時,增加絕緣會使熱損失降低。
(二)計算絕緣厚度
1. 計算臨界半徑
絕緣材料的熱傳導係數為
對流係數為
因此
第 六 題10 分
圖五描述磷摻雜矽晶圓穩態擴散過程。已知磷初始濃度為零,表層濃度為 (),及磷在矽晶圓內擴散係數為 ,估算需多久時間後在離表面位置 微米的磷濃度為表層濃度 。提示誤差函數 及 。
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核心觀念
本題考查半無限固體在「表面濃度維持不變」條件下的穩態擴散。矽晶圓初始磷濃度為零,表面磷濃度固定為 ,因此可使用 Fick 第二定律的誤差函數解:
其中:
- :距離表面的深度
- :磷在矽中的擴散係數
- :擴散時間
解題方法
題目要求深度 處的濃度為表面濃度的 ,故
代入擴散公式:
因此:
由題目提供:
以線性內插估算:
距離單位須換成 :
第 七 題10 分
圖六描述兩液相流體 與 含有成分 、、 混合後進入萃取單元達平衡後離開此單元流體 。圖中 、、、 分別表示入口端兩相流體中 與 成分質量分率,、 分別表示出口端 與 成分質量分率。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 依圖所示寫出對應質量守恆式。(5 分)
(二) 已知萃取層 、,萃餘層 、,若出口端量為 且 ,求 與 值?(5 分)
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核心觀念
本題考查穩態萃取單元的「總質量守恆」與「各成分質量守恆」。入口有兩股物流 、,出口合併為物流 。
各成分質量分率必須滿足:
因此,總質量守恆及任兩個獨立成分的守恆式即可決定未知量。
解題方法
由圖中標示:
- 流體中,、 質量分率分別為 、
- 流體中,、 質量分率分別為 、
- 出口 流體中,、 質量分率分別為 、
(一)質量守恆式
總質量守恆:
成分質量守恆:
成分質量守恆:
若列出 成分守恆,因為 的質量分率為其餘分率:
其中總質量式與三個成分守恆式並非全部獨立,通常列總質量式及任兩個成分守恆式即可。
(二)求 與
已知:
由總質量守恆:
由 成分守恆:
即:
由 代入: