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100年公務人員高等考試三級考試試題 代號：36120
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、一單效蒸發罐（single-effect evaporator）進行濃縮操作，擬將一進料流量為 6000 kg/h
之溶液從溶質組成 10 wt%（重量百分比）濃縮至 25 wt%之濃縮產物。進料溶液之
溫度為 20ºC，在蒸發罐內操作壓力為 15.3 kPa，而用於提供加熱之熱源為 101.32 kPa
下之飽和蒸汽。此蒸發罐內之總括熱傳係數為 2000 W/m2-K，假設溶液沸點上升可
以忽略，進料溶液之比熱為 4.06 kJ/kg-K。請問此濃縮操作中：
需要之飽和蒸汽流量為何？（15 分）
蒸發罐內之熱傳面積需要多少m2？（5分）
從蒸汽表得知：在 15.3 kPa下，水之沸點為 54.3oC，飽和蒸汽潛熱（latent heat）為
2372.4 kJ/kg；在 101.32 kPa下，水之沸點為 100oC，飽和蒸汽潛熱為 2257.1 kJ/kg。
二、有一離心幫浦（centrifugal pump）用於輸送某流體，輸送流量為 0.125 m3/s。在幫浦
之吸入端，管內徑為 0.154 m，壓力讀數為低於大氣壓 22.5 kPa；在排出端之管徑為
0.128 m，且排出口高於吸入口有 3.50 m，出口壓力讀數為高於大氣壓 222.5 kPa。
假設流體密度為 1000 kg/m3，黏度為 0.001 kg/m-s，管線摩擦損耗可忽略。請問幫
浦輸出之功為多少kW？（20 分）
三、有一半徑為ri之金屬線，其外緣包覆一均勻厚度之絕緣塑膠層，此時半徑變為ro，即
絕緣層之厚度為ro - ri。金屬線會產生熱，而外界之冷空氣有散熱作用，在穩態（
steady state）下，絕緣層內側表面（與金屬接觸處）之溫度為Ti，絕緣層外側表面
（與冷空氣接觸處）之溫度為To。若此金屬線很長，熱量傳送僅發生於徑向（
radial direction），且絕緣層之熱傳導係數（k）為定值。
請推導出絕緣層內之徑向溫度分布，以ri，ro，Ti及To表示。（10 分）
若ri = 1.0 mm，ro = 2.0 mm，Ti = 350 K，To = 300 K，絕緣層之熱傳導係數（k）為
0.4 W/m-K。請計算每單位長度金屬線對外界之熱傳量為多少W/m？（10 分）
四、一雙成分混合溶液 100 kg mole，其組成為 60 mol%之成分 A和40 mol%之成分 B。
將此混合溶液置於蒸餾器進行微分蒸餾（differential distillation）操作，當收集得到
之蒸餾產物總量有 40 kg mole 時，請問此時：
留在蒸餾器內物料之組成為何？（15 分）
蒸餾產物中成分 A之mol%為何？（5分）
假設成分 A與成分 B之相對揮發度（relative volatility）為 2.0，且在本操作中保持
不變。
100年公務人員高等考試三級考試試題 代號：36120
類 科： 化學工程
科 目： 輸送現象與單元操作
全一張
（
背面
）
五、有一逆流式多級接觸（counter-current multiple-stage contact）吸收塔進行以純水吸收空
氣中丙酮（A）之操作。氣體進料流量為 30 kg mol/h，其中丙酮之含量為 1.0 mol%；
純水進料流量為 90 kg mol/h。假設本操作在穩態（steady state）下，且丙酮在空
氣-水系統之平衡溶解關係式為：yA = 2.5xA，其中yA及xA分別為丙酮在氣相及水相之
莫耳分率。
若氣體進料中90%的丙酮被吸收至水相中，請計算在氣相出料及水相出料中丙酮
之莫耳分率各為何？需要多少個理想級（theoretical stage）可達到此吸收操作？
（15 分）
此操作中若要達到吸收氣體進料中 90%的丙酮之目標，請問純水最少需求流量為
何？（5分）
附件：
單位轉換及數值：
1 J/s = 1 W
1 Pa = 1 N/m2
重力加速度（g）= 9.8 m/s2
ln 2 = 0.693; ln 3 = 1.099