95年 - 95 專技高考_化學工程技師：程序設計#36922

科目：程序設計 | 年份：95年 | 選擇題數：0 | 申論題數：7

試卷資訊

所屬科目：程序設計

選擇題 (0)

申論題 (7)

一、某化學工廠擬由原料 A 與 B 生產 C 與 D 兩種物質。其反應式為： A + B → C + D 反應在一連續式反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）下進行，其原料 A 與 B 均為純物質（pure component），然而其之轉化率（conversion）卻不會達到 100%；因此，在反應器之出口處含有 A、B、C、D 四種物質。由於各物質之間均 無共沸（azeotrope）之現象，在經濟效益之考量下，乃採取蒸餾的方式來做純化的 工作。又其生產之各種物質（即分別為 C 與 D），均必須要求達到相當高的純度； 且未反應之 A 與 B 原料均必須再回收使用（recycle）。已知此四種物質之相對揮發 度（relative volatility, α ）的關係為： α A＞α C＞ α B＞ α D 試繪製一合理的程序流程圖（process flowsheet），並註明各裝置（equipment）之 名稱及各流線（flow stream）之成分，再以文字說明你的設計理念。（20 分）
⑴煙道氣之各物質的組成（composition）應分別為何？請以 mole % 回答。（15 分）
⑵此加熱爐之「絕熱火焰溫度」應為何？請以溫度 K 回答。（15 分）
【已刪除】⑴在設計蒸餾塔時，首先必須決定塔頂之壓力。若塔頂蒸餾液（distillate）之溫度 為 30 o C，其汽液平衡常數（vapor-liquid equilibrium constants，俗稱 K-values） 之計算可由理想狀態獲得，即： 上式之 xi 為液相之摩爾分率（mole fraction），yi 為汽相之摩爾分率，  為汽化 壓力（vapor pressure），ptotal 為總壓力。各物質之汽化壓力（ * pi ）可由 Antoine 方程式獲得，即： 上式之 A、B、C 均為常數；溫度（T）之單位為 o C； p*  之單位為 mm Hg。又 塔頂各物質之 Antoine 常數分別為：
 i-C4：A = 6.78866、B = 899.617、C = 241.942 
n-C4：A = 6.82485、B = 943.453、C = 239.711 
i-C5：A = 6.73457、B = 992.019、C = 229.564 
請問塔頂之壓力應為多少 atm？（15 分） （提示﹕1 atm =760 mm Hg）
⑵最近 15 年來的程序設計，已普遍地採用了商業化之模擬軟體為設計輔助，諸如： Aspen plus, ChemCAD, Hysys, ProII 等套裝軟體。利用商業化之模擬軟體來設計蒸 餾塔，必先選擇其物理性質（physical properties）；而於模擬軟體中，常見的汽 液平衡計算方法有：Wilson, Peng-Robinson, UNIFAC, NRTL, Soave-RedlichKwong, UNIQUAC 等。請問在本案中，上述之計算方法，何者可以使用？並請說 明你選擇的理由。（10 分）
⑶蒸餾塔之基本設計（basic design）通常必須決定塔壓、理論板數、進料板位置、 回流比、冷凝器移走之熱質、再沸器之熱質、塔高、塔徑等。在假設有商業化之 模擬軟體為設計輔助下，且前面⑴與⑵部分均已設計完成下，請問本案之基本設 計要如何進行？請以文字敘述你的設計步驟（design procedure）。（15 分）
⑷當完成上述之工作後，則必須選擇適當的材料。在結構安全與經濟的考量下，請 問本案之蒸餾塔，你建議採用何種材料？請說明你採用的理由，並分析該材料的 優劣點。（10 分）