單元操作、輸送現象 第 1 頁，共 4 頁 【請翻頁繼續作答】
經濟部所屬事業機構 102 年新進職員甄試試題
類 別 : 化 工 製 程 節 次 : 第 三 節 科 目 : 1 . 單 元 操 作 2 . 輸 送 現 象
注 意 事 項
1.本試題共 4 頁(A3 紙 1 張)。
2.可使用本甄試簡章規定之電子計算器。
3.本試題分 6 大題，每題配分於題目後標明，共 100 分。須用藍、黑色鋼筆或原子筆在答 案卷指定範圍內作答，不提供額外之答案卷，作答時須論述或詳列解答過程，於本試題 或其他紙張作答者不予計分。
4.本試題採雙面印刷，請注意正、背面試題。
5.考試結束前離場者，試題須隨答案卷繳回，俟該節考試結束後，始得至原試場索取。
6.考試時間：120 分鐘。
一、水池中20℃ 之水，擬以泵送至離水面 15 m 高之水槽，假如管內徑為 0.0529 m，平均流速 為 3.0 m/s，總相當管長為 45 m 時，試繪出系統簡圖、計算所需理論功率為多少馬力(HP)
？(已知 Friction factor f = 0.0050)（15 分）
二、有一溫度計具一次程序之特性，其時間常數(Time constant) 為 1 min。置於 100℉之大水浴 槽(Bath)中，當此溫度計達到穩態後，在 t = 0 時將之置於 110℉ 之 Bath 中 1 min。之後又 放回100℉之 Bath，請寫出此溫度計讀數與時間的關係式並繪出關係圖。（15 分）
三、 有一重油轉化工場旋風分離器(Cyclone)之設計條件：
(一)進口條件：觸媒顆粒流量 42.6 kg/s，觸媒顆粒密度(ρp)1362 kg/m3，進口氣體流量 5.66 m3/s，氣體黏度(μg)1.88×10-5 kg/(m．s)，氣相密度(ρ )2.72 kg/mg 3，觸媒顆粒在 Cyclone 進口氣相中之負荷(Loading of Solids in Inlet Gas)為 7.53 kg/m3；
(二)觸媒顆粒粒徑分佈：
重量分率 χi 粒徑d pi，m 0.002 9×10-6 0.018 12×10-6 0.08 20×10-6 0.2 32×10-6 0.2 50×10-6 0.2 73×10-6 0.3 130×10-6
單元操作、輸送現象 第 2 頁，共 4 頁 (三)旋風分離器尺寸如【圖 1】：（Inlet 為箱形，Outlet 為圓柱形）
請利用【圖 2】、【圖 3】及【圖 4】，查圖並計算：
(1)若有粒徑Dp,th之觸媒顆粒進入Cyclone 後有 50 ％回收、另 50 ％逸散，
求Dp,th 粒徑。（5 分）
Dp,th＝ 9μgLw/
(
πNsV(
ρp −ρg) )
(2)整體 Cyclone 觸媒顆粒收集效率。（10 分）
(3)每日損失多少噸觸媒(Catalyst loss)。（5 分）
單元操作、輸送現象 第 3 頁，共 4 頁 【請翻頁繼續作答】
四、請簡答下列各題：（每小題3 分，共 15 分）
(一)請繪製簡圖並說明皮托管(Pitot tube)測量管線內流體流速之原理。
(二)何謂 NPSH (Net Positive Suction Head)？請說明其影響與重要性。
(三) Hagen-Poiseuille（- dz
dp＝8 2 R
Vavg
μ ）是否可被應用於描述牛頓流體(Newtonian fluid)於水 平同心管中之層狀流動(Laminar flow)？請說明理由。
(四)請將下列流體 CO2(20℃,1 atm)、CO2(100℃,1 atm)、H2O(10℃,1 atm)、H2O (80℃,1 atm)依黏度大小排序，並說明排序理由。
(五)某鋼球在某牛頓液體中的終端速度（Terminal velocity）為 2 m/s，如果鋼球直徑變為 2 倍 ， 且 其 他 條 件 不 變 ， 則 其 終 端 速 度 為 多 少 ？ 假 設 為
Creeping flow 。
五、在平衡級操作中，常用Kremser 方程式(如【表 1】)來計算板數(N)：
若 x、y 分別是某一成分(A)在液、氣相中的莫耳分率，xa、xb分別 代表成分A 在進口及出口處之液相莫耳分率，x 、a* x 分別代表成b*
分A 在進口及出口處與氣相達平衡時之液相莫耳分率，試回答下列問題：
(一)一稀薄(Dilute)氨水溶液，欲利用一連續逆流之氣提（Stripping）裝置，以空氣來移除水 溶液中的氨(NH3)。系統中空氣的莫耳流率為 V，氨水溶液之莫耳流率為 L，且 NH3在 氣/液相間的平衡關係可利用 y = 0.8 x 來表示，請問此一操作中，若欲達 95％之移除率
，則空氣對水溶液之最小流率比
⎥⎦min
⎢⎣ ⎤
⎡ L
V 為何？此時所需之理想板數為何？（5 分）
【表1】
N =
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
−
−
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡
−
−
*
*
*
*
ln ln
b a
b a
b b
a a
x x
x x
x x
x x
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(二)承第(一)小題。若空氣的流率(V)是氨水流率(L)的 1.5 倍，整個裝置有 8 個板，總板效 率為75％。請利用 Kremser 方程式計算此一條件下 NH3的移除率。（8 分）
(三)承第(二)小題。若將空氣的流率(V)增加，而其他條件不變，則 NH3的移除率會如何變 化？請說明為什麼。（2 分）
六、流體A 與 B 均為單相，在一個 Single-pass double pipe heat exchanger 做同向流 (Cocurrent flow)熱交換。
流體A：質量流率 ＝ 1.0 kg/s，比熱 ＝ 1500 J/kg · K，進口溫度 T ＝ 375 K 流體B：質量流率 ＝ 0.3 kg/s，比熱 ＝ 2500 J/kg · K，進口溫度 T ＝ 280 K
已知總熱傳係數(Overall heat transfer coefficient)為 225 W/㎡ · K，換熱面積為 5 ㎡。
(一)求本熱交換器的熱傳單位數 NTU(Number of heat transfer unit)的值是多少？（3 分）
(二)導出本熱交換器的熱交換效率ε(Effectiveness)，並求出其值。（8 分）
(三)求本熱交換器的熱傳率(Heat transfer rate)，流體 A、B 的出口溫度及對數平均溫差。（5分）
(四)如使用相同的熱交換器，流體的進口溫度也相同，但流向改為逆向流(Countercurrent)
，請問NTU(逆向流)將會大於、等於或小於 NTU(同向流)，為什麼？（2 分）
(五) ε(同向流)將會大於、等於或小於ε(逆向流)，為什麼？（2 分）
