99 年公務人員高等考試三級考試試題 代號：36420
類 科： 化學工程
科 目： 輸送現象與單元操作
考試時間： 2 小時 座號：
※注意： 可以使用電子計算器。
不必抄題，作答時請將試題題號及答案依照順序寫在試卷上，於本試題上作答者，不予計分。
（請接背面）
全一張
（正面）
一、簡要回答下列問題：（每小題 6 分，共 30 分）
對於流體流過粒子床，典型之壓降（pressure drop）∆P 及床高（height）L 與流體 空床流速（superficial velocity）V 之關係常如下圖所示，於固定床階段，床高不 變而壓降隨流速提高而增大，而於流體化階段則床高隨流速增大而膨脹但壓降不 變，試說明造成此現象之機制。
固定床 流體化床
∆P L
Pressure drop and bed height
L ∆P
流體
Superficial velocity,V
試說明填充床氣液接觸操作之負載（loading）及氾溢（flooding）等現象。
攪拌槽（agitated vessel）與管殼型熱交換器（shell-and-tube heat exchanger）一般 均裝有擋板（baffle），請說明兩者所裝之擋板於構造與功能上之差異。
試比較濾餅過濾（cake filtration）之濾餅洗滌（cake washing）與顆粒床過濾（deep bed granular filtration）之反沖洗（backwashing），兩者之操作與目的各有何不同？
離心泵（centrifugal pump）廣用於工業界液體之泵輸送，試述該泵之優缺點。
二、典型的毛細管黏度計如下圖所示，包含一大貯槽及長而細之毛細管。流體於管內層 流流動時，可以 Hagen-Poiseuille 方程表示壓降 ∆p 及管長 L 與流體黏度 µ、平均速 度 v 及管直徑 D 等之相互關係：
2
v 32 L D
P µ
∆ =
−
Dc=0.001m 毛細管 Dc= 0.001 m Dt = 0.1 m
0.05 m
0.15 m
若貯槽直徑為 0.1 m，毛細管直徑為 0.001 m，長為 0.15 m，當槽內液體液位距毛細管入口為 0.05 m時，
對 一 密 度 為 950 kg/m3之 液 體 所 量 測 之 流 率 為
7m
10
− 3/sec。試問該流體黏度（cp）為何？（10 分）
若槽內初始液位高為 0.05 m 且於毛細管連續排液 下，試估槽液位降至 0.03 m 所需時間。（10 分）
代號：36420 全一張
99 年公務人員高等考試三級考試試題 （背面）
類 科： 化學工程
科 目： 輸送現象與單元操作
三、在如右圖之圓形管通以 40℃之空氣，並於管中 心插置Pitot管，差壓計讀數為 0.03 m H2O，水 的密度為 1000 kg/m3，而空氣密度及黏度分別 為 1.12 kg/m3及 0.017 cp，試估算該圓形管內氣 體之質量流率。於層流時，圓管內流體平均速 度與最大速度之比值為 1/2，而於紊流時之比值 則為 0.85。（15 分）
D = 0.12 m
0.03 m
空氣流動
H2O Air
四、有一化學反應程序於攪拌槽中進行連續操作，如下圖所示，進料（20℃）與排出液 之速率皆為 2 kg/sec，槽內之液體量維持於 1000 kg，此反應會伴隨熱產生，槽內每 單位液體之熱產生速率為 300 J/kg ·sec，為維持槽內液體溫度於 50℃，管圈（Tube Coil）式熱交換器置入槽中，以 15℃水通入管圈進行槽內液體冷卻，該管圈與槽內 流體間之總括熱傳係數（overall heat transfer coefficient）為 600 J/m2·℃·sec，且攪拌 槽進料與排出液之比熱（heat capacity）皆為 4000 J/kg·℃，若穩定操作時管圈冷卻 水出口溫度設定為 35℃，試估所需管圈之熱傳面積。假設攪拌槽為完全混合，其與 外界（surroundings）之熱傳可忽略。（15 分）
進料, 2 kg/sec 20℃
排出 2 kg/sec
1000 kg
冷卻水 15℃
冷卻水出口
35℃
T=50℃
管圈
五、有一球狀觸媒（catalyst）其係由觸媒層貼覆於一球形基材粒子而成，
如右圖所示，該基材粒子半徑為Ri，而含觸媒層之半徑為Ro，若反 應物A於觸媒層表面之莫耳濃度為CA0，該物質擴散傳入觸媒層並 同時伴隨化學反應，但於基材表面A物質不反應也不會穿透。若 反應物A於觸媒層為零階反應（zero order reaction），反應速率rA
=-KA，KA為反應速率常數（單位為莫耳A/時間．觸媒體積），且反 應物A於觸媒層之有效擴散係數（diffusion coefficient）為DAe，試估算 於穩定操作時單一球狀觸媒所反應掉之A物質速率。（20 分）
CA0
觸媒層
基材粒子
Ri
Ro
附件
單位及轉換（Unit and Conversion factors）表
長度：1 mm = 10-1 cm = 10-3 m 黏度：1 cp = 1×10-3 kg/m·s
壓力：1 atm = 1.01325×105 N/m2 重力加速度：1g = 9.8 m/s2
