112 年 國立清華大學化學工程學系碩士班《單元操作與輸送現象》
Problem 1 (20%). Each sub-question is worth 2%.
Fish is an excellent source of protein due to its lower fat and calories. A 100 g cooked fish can provide about a third of the average daily recommended protein intake. However, an inappropriate cooking process may affect the quality of eating because of protein denaturation and moisture migration. Thus, a well-controlled cooking process is necessary to maintain the nutrients in the food.
Cooking fish in a conventional oven is a common cooking process, especially in the hotel and restaurant industries. To determine the properties needed for the prediction of heat and mass transfer during the cooking of fish, a numerical model for coupled heat and mass transport during the cooking of fish in a convection oven should be developed.
第 1 題2 分
For the description of heat and mass transfer in the fish during the cooking process, which statement is NOT true?
(A) Internal mass transfer is a pure diffusion process described by Fick's law, and the pressure-driven transport of moisture in the muscle can be neglected.
(B) Heat is transferred from the hot air to the surface of the fish by convection and radiation, and from the baking plate by conduction.
(C) Mass transport through the fish is only driven by diffusion and convection.
(D) Fourier's law of conduction can be used to model heat transfer in fish.
(E) Convective boundary conditions are given by Newton's law of cooling.
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核心觀念
本題考查烤箱烹煮魚肉時,熱量與水分在魚肉內部及表面的傳遞機制。建模時要區分:
- 熱傳:魚肉內部以熱傳導為主;烤箱熱空氣可藉由對流與輻射加熱魚肉表面,烤盤則可透過接觸傳導供熱。
- 質傳:魚肉內水分可因濃度梯度而擴散,也可隨液體流動而對流。只用純擴散描述,無法涵蓋壓力梯度造成的水分移動。
魚肉內的水分通量可概念性寫成:
其中,第一項是依 Fick 定律描述的擴散通量, 為有效擴散係數, 為水分含量;第二項是對流通量, 表示水分移動速度。若液體流動受壓力梯度驅動,可用 Darcy 型關係描述其速度:
其中 為滲透率, 為黏度, 為壓力。因此,若把魚肉內部質傳視為純擴散,並忽略壓力驅動的水分傳輸,模型便少了對流傳質部分。魚肉烹煮模型研究也將魚肉內的水分傳輸描述為擴散與對流共同作用。魚肉烹煮熱質傳模型研究
解題方法
逐一檢查敘述是否符合基本傳遞定律與題幹設定。熱傳選項可用傅立葉定律與牛頓冷卻定律判斷;質傳選項則要確認描述是否只考慮擴散,或也納入流體移動造成的對流傳輸。
選項分析
第 2 題2 分
The governing equation of heat transfer in the fish can be described by the following equation:
Here, , , and are the density, specific heat, and thermal conductivity of fish, respectively. , , and are the density, specific heat, and flow velocity of water transported within the fish, respectively. Which statement is NOT true?
(A) is the heat conduction term.
(B) Thermal conductivity can vary with sample geometry.
(C) Radiative transfer is not considered in the governing equation.
(D) Viscous dissipation is ignored in the system.
(E) is the three-dimensional del operator.
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核心觀念
本題考查非穩態熱傳方程中各項的物理意義,以及熱導率 的物性定義。題目給定:
左側代表魚體內能隨時間的變化;右側第一項是熱傳導,第二項描述魚體內流動水分攜帶能量造成的熱對流效應。此式沒有列出輻射或黏滯耗散項。
解題方法
逐項對照方程與各選項:
- 是溫度的拉普拉斯算子,表示三維空間中的溫度分布曲率;乘上熱導率 後,對應熱傳導項。
- 是材料的熱物性,描述材料傳導熱量的能力。幾何會影響熱量傳遞的路徑與速率,但不會因試樣形狀改變而使材料本身的熱導率改變。
- 式中沒有輻射項,也沒有黏滯耗散造成的熱生成項。
因此,聲稱「熱導率會隨試樣幾何形狀改變」的選項不正確。
選項分析
(A) 正確。 是熱傳導項。對均質材料而言,傅立葉定律配合能量守恆會導出此項。
第 3 題2 分
Please choose the correct temperature profile at the geometric center of the fish during the cooking process. is the cooking time and is the temperature.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(附圖:五張 (°C)對 (min)曲線。(A) 直線上升;(B) 上凹、越升越快;(C) 下凹、先快後慢地上升;(D) 起初急升,很快轉平成平台;(E) S 形:先平緩、中段上升、最後趨平。)
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核心觀念
本題考查魚肉在熱風烤箱中的非穩態熱傳導,以及物體內部中心點的溫度如何隨時間變化。烤箱空氣先加熱魚肉表面,熱量再由表面逐步傳入內部,因此幾何中心的升溫會落後於表面。
在理想化條件下,魚肉初始溫度均勻、烤箱溫度固定,溫度場可用非穩態熱傳導方程描述:
其中 為熱擴散率。隨烹調進行,中心溫度逐漸接近周圍環境溫度,升溫速率也會逐漸減小。
解題方法
判斷中心溫度曲線時,抓住三個階段:
- 初期升溫緩慢:熱量尚未傳到中心,中心溫度變化小。
- 中期升溫較快:熱量逐步傳入內部,中心升溫速率增加。
- 後期升溫趨緩:中心與烤箱環境的溫差縮小,溫度逐漸接近平衡值。
第 4 題2 分
About the heat transfer in the fish, which statement is NOT true?
(A) The unit of heat transfer coefficient is .
(B) Thermal conductivity of fish increases with temperature.
(C) Biot number is the ratio of internal conductive resistance within the body to the external convective resistance at the surface of the body.
(D) Brinkman number in this case is very large.
(E) The unit of thermal diffusivity is the same as the mass diffusivity.
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核心觀念
本題考查熱傳係數、熱傳導係數、Biot 數、Brinkman 數與熱擴散率的定義和物理意義。判斷 Brinkman 數時,重點是比較流體黏滯耗散產生的熱與熱傳導所傳遞的熱;烤魚的傳熱通常由烤箱對流及魚肉內部導熱主導,黏滯耗散可忽略。
解題方法
逐項核對單位和無因次數的定義:
其中 為表面對流熱傳係數、 為特徵長度、 為熱傳導係數。Biot 數比較物體內部導熱熱阻與表面對流熱阻。
Brinkman 數常寫為:
其中 代表黏滯耗散效應的尺度, 代表熱傳導效應的尺度。對烤魚而言,流動速度與黏滯耗散相對有限,熱量主要靠烤箱對流傳至魚表面,再由魚肉內部導熱,因此 Brinkman 數不會很大。
選項分析
(A) 正確。 熱傳係數 的單位為 ,表示單位面積、單位溫差下的熱傳率。
第 5 題2 分
Heat transfer due to radiation should be considered during the cooking process. Please estimate the heat generation due to radiation. Assume the surface temperature of the fish is , the oven temperature is , the emissivity of the oven is 0.9, the surface area of the fish is , and the Stefan–Boltzmann constant is .
(A) 0.07 W
(B) 2.4 W
(C) 48 W
(D) 1728 W
(E) 23875 W
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核心觀念
魚表面與烤箱內壁之間的輻射熱傳率,可用史蒂芬–波茲曼定律估算。當魚表面溫度低於烤箱溫度時,淨輻射熱由烤箱傳入魚體:
其中溫度必須使用絕對溫標 K,面積則使用 。此處將題目給的烤箱放射率視為輻射交換所用的有效放射率。
解題方法
先將溫度換算為 K,並將魚表面積換算為 :
代入 與 :
第 6 題2 分
The governing equation of mass transfer in the fish is based on the following equation:
Here, and are the moisture (water) concentration and moisture diffusion coefficient in the fish, respectively. Which statement is NOT true?
(A) Water density is constant in this case.
(B) Diffusion coefficient does not change with location.
(C) The system only has free convection of mass transfer.
(D) The system is able to reach a steady state.
(E) can be written as when the density of water and diffusion coefficient are constant.
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核心觀念
水分傳遞方程式包含兩種傳遞機制:分子擴散,以及水分隨速度場移動的對流(平流):
其中, 是魚肉中的水分濃度, 表示擴散項, 表示對流項的散度形式。判斷選項時,要分辨方程式描述的傳遞機制,並注意「散度乘積」不能任意改寫成「速度與濃度梯度的內積」。
解題方法
先看方程式中的項:左側是非穩態累積項,右側包含擴散與對流。因此,系統在一般過程中可隨時間變化;若邊界條件固定且達到穩定分布,則可令 。
再用乘積散度公式展開對流項:
只有在速度場滿足 時,才能簡化為 。依本題常見的預設,水相密度固定且水相視為不可壓縮,故速度場無散度;擴散係數固定則使擴散項可寫成 。
第 7 題2 分
The flow velocity of the water in the fish is derived from the following equation:
Here, is the permeability of fish, is the storage modulus of the fish, is the dynamic viscosity of water, is the mass fraction of water in the fish, and is the water holding capacity of the fish as a function of temperature . Which statement is NOT true?
(A) The equation is derived from Darcy's law when the porous medium approach is applied.
(B) The driving force of the equation is the difference in temperature.
(C) Water holding capacity decreases when the temperature increases.
(D) Storage modulus increases when the temperature increases.
(E) Viscosity decreases when the temperature increases.
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核心觀念
本題考查多孔介質中的水分傳輸,以及如何從通量方程辨認傳輸的驅動力。題目給定
其中,水分的「超額含量」為 ;水分流動由這個量的空間梯度驅動。溫度會影響平衡含水量 ,但方程中的驅動力不是單純的溫度差。
解題方法
先辨認方程的結構:流速與某個勢能或狀態量的負梯度成正比,符合 Darcy 型多孔介質流動的形式。比例係數 由滲透率、儲能模數與水的動態黏度構成;負號表示水分由超額含水量較高處流向較低處。
接著直接讀取梯度項:
因此,驅動水分流動的是超額含水量的空間梯度,而非溫度差。選項 (B) 把溫度對平衡含水量的影響,誤當成流動的直接驅動力。
選項分析
第 8 題2 分
Please choose the correct mass fraction profile of fish during the cooking process. is the cooking time and is the mass fraction of water in the fish.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(附圖:五張 (kg/kg)對 (min)曲線。(A) 直線下降;(B) 下凹、先緩後陡地下降;(C) 上凹、先陡後緩地下降並趨近定值;(D) 起初驟降,隨即轉平;(E) 反 S 形:先平緩、中段下降、最後趨平。)
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核心觀念
水的質量分率為
其中 是水的莫耳濃度, 是水的分子量, 是魚肉密度。烹煮時水分持續蒸發並由魚肉內部移向表面,因此魚肉中的水分率 隨時間下降。
在烤箱條件大致固定的簡化模型中,水分逸散速率會隨魚肉與周圍環境的水分差縮小而減慢,可表示為
其中 是平衡水分率, 是有效傳質係數。此模型描述的水分率曲線是起初下降較快,之後逐漸趨平。
解題方法
第 9 題2 分
About the mass transfer in the fish, which statement is NOT true?
(A) The unit of mass diffusivity is .
(B) Mass diffusivity of water increases with temperature.
(C) Sherwood number is a dimensionless mass transfer coefficient that represents the ratio of the convective mass transfer rate to the mass diffusion rate.
(D) Péclet number can describe the ratio of momentum diffusivity and mass diffusivity.
(E) The unit of thermal diffusivity is the same as the mass diffusivity.
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核心觀念
本題考查質量擴散率、熱擴散率,以及無因次傳輸數的定義。判斷無因次數時,先寫出其公式,再確認它比較的是哪兩種傳輸能力。
常用定義如下:
其中, 是動量擴散率, 是質量擴散率, 是特徵速度, 是特徵長度, 是質量傳遞係數。 比較動量擴散與質量擴散;質量傳遞 Péclet 數 則比較對流傳質與分子擴散。
解題方法
逐項核對各選項中的物理量定義與單位,並特別區分「動量擴散率與質量擴散率之比」和「對流傳輸與分子擴散之比」。前者是 Schmidt 數,後者才是質量傳遞 Péclet 數。
選項分析
(A) 正確。 質量擴散率的量綱為面積除以時間,因此 SI 單位為 。
(B) 正確。 對一般液體中的水分子擴散而言,溫度升高會提高分子的熱運動,質量擴散率通常隨之增加。
第 10 題2 分
To obtain the weight loss of the fish, it is critical to obtain the evaporation rate. Please calculate the evaporation rate () during the cooking process at isothermal conditions. Assume that the water mass fraction is 0.8, the surface area of the fish is , the mass transfer coefficient is , the relative humidity is 0%, and water does not transport back to the fish.
Hint: .
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
這題用的是含總體流動修正的水分傳質式:
其中, 是水分蒸發率, 是表面水分質量分率, 是非水分成分的通量, 是質傳係數, 是魚肉表面積, 是表面與周圍空氣間的水分分率差。
題目指明水分不會傳回魚肉,因此令 。相對濕度為 ,表示周圍空氣中的水分分率取 ;依題目給定的水分質量分率,取表面水分分率為 ,故 。
解題方法
代入 、,整理傳質式:
表面積須由平方公分換算為平方公尺:
代入質傳係數 :
Problem 2 (12%). Each sub-question is worth 2%.
Separation of isotopes by diffusion process
Tritium is an isotope of hydrogen with the formula . It has a wide variety of uses in analytical chemistry, biology, and self-powered lighting devices. Isotopes are elements of identical chemical nature; hence, separation by chemical methods is not feasible. One way of separating isotopes is by gaseous diffusion, i.e., molecules of a lighter isotope pass through a porous barrier more readily than those of heavier ones.
To calculate the diffusive flux, one must first obtain the diffusion coefficient of hydrogen () and tritium ( or ). Assume that you are a scientist/engineer in an era when the internet and smartphones do not exist. How would you proceed, using only paper and pencil, to estimate the diffusion coefficients of hydrogen and tritium?
第 11 題2 分
You probably would like to draw a qualitative picture of the diffusion of diluted gases first. From a molecular point of view, how does diffusion actually occur for gas molecules?
(A) The diffusion of gas molecules is driven by a pressure gradient. They flow from places of high pressure to regions of low pressure.
(B) The diffusion of gas molecules is driven by the van der Waals forces between individual molecules. The collective attraction forces result in a net movement of the molecules.
(C) The diffusion of gas molecules is driven by the random collision of molecules. The collective collision events result in a net movement of the molecules.
(D) The diffusion of gas molecules is driven by electrostatic interactions between the molecules. The attractive and repulsive interactions between the charged rubbing gas molecules result in a net movement of the molecules.
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核心觀念
氣體分子因熱運動而持續進行不規則的隨機移動,並透過分子間碰撞改變運動方向。若某處分子濃度較高,從高濃度區穿越到低濃度區的分子數,平均而言會多於反方向穿越的分子數,因此形成由高濃度往低濃度的淨擴散通量。
宏觀上,稀薄氣體的擴散可用菲克第一定律表示:
其中 是物種 的擴散通量, 是 在 中的擴散係數, 是 的濃度。負號表示通量方向與濃度梯度相反。
要分清楚的是:分子碰撞使分子持續隨機運動;濃度不均則使這些隨機運動呈現由高濃度區往低濃度區的平均淨通量。只有隨機碰撞、沒有濃度差時,不會產生持續的淨擴散。
解題方法
從分子尺度判斷各選項描述的機制,再以擴散的宏觀定義檢核:擴散是由濃度差造成的分子淨傳輸;分子熱運動與碰撞則提供微觀運動機制。四個選項中,只有(C)提到分子的隨機碰撞與整體淨移動,最符合氣體擴散的分子圖像。
選項分析
第 12 題2 分
Now, you start to think about how to describe the diffusion of gas molecules mathematically. To do so, you need some properties of the gas molecules and must consider which properties directly affect diffusion behavior and therefore are needed to form your mathematical formula.
(A) Number density (), diameter (), charge ().
(B) Heat capacity (), diameter (), mass ().
(C) Mass (), diameter ().
(D) Number density (), mass ().
(E) Number density (), diameter (), mass ().
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核心觀念
本題考氣體分子擴散係數與分子運動、分子碰撞的關係。擴散係數 的量綱為「面積/時間」,可由分子在兩次碰撞間的平均移動距離及分子平均速率估算。
氣體分子的平均自由程約為
其中 是數密度, 是分子碰撞直徑。分子平均速率的尺度為
其中 是分子質量, 是絕對溫度, 是波茲曼常數。因此,氣體擴散係數的尺度關係為
此式是量級估算;精確公式還會包含數值常數及分子間作用勢等修正。在溫度固定的條件下,所列分子性質中需要數密度、分子直徑與分子質量。
解題方法
由分子運動論切入:分子每次碰撞之間約移動一個平均自由程 ,移動速率尺度為 ,因此擴散係數可估為 。數密度越大,分子越容易碰撞,平均自由程越短;分子直徑越大,碰撞截面越大,平均自由程也越短;分子質量則影響熱運動速率。三者皆會影響擴散。
題目未將溫度列為選項,故比較的是分子性質,並將溫度視為給定操作條件。
選項分析
第 13 題2 分
You also need some system parameters or constants to complete your description. From the list below, choose those that are required.
(A) Temperature, Reynolds number, volume.
(B) Pressure, Boltzmann constant, volume.
(C) Boltzmann constant, temperature.
(D) Reynolds number, temperature.
(E) Boltzmann constant, Reynolds number, temperature.
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核心觀念
本題考的是多孔障壁中的克努森擴散:當孔徑遠小於氣體分子的平均自由徑時,分子主要撞擊孔壁,而非彼此碰撞。分子的平均熱運動速度由溫度及分子質量決定;孔壁幾何則決定分子通過障壁的路徑。
圓柱形孔道的克努森擴散係數為
其中 是孔半徑, 是分子平均速率, 與 分別是單一分子的質量與莫耳質量。比較氫與氚的擴散係數時,需用相同的孔道與溫度條件。
解題方法
紙筆估算時,先由週期表與同位素質量取得分子質量,再用氣體動力論計算平均速率,最後乘上孔道幾何因子。分子速率與質量平方根成反比,因此較輕的分子擴散較快。
若以 與 為例,近似取 、(原子質量單位),則
第 14 題2 分
The number of gas molecules passing through a unit surface, i.e., the diffusional flux, can be modeled by a mass balance across a particular plane at with the simplified assumption that the gas molecules, on average, will meet another molecule after traveling a distance in space with a frequency of , where is the mean molecular speed of the gas molecules.
If there is a mass fraction () gradient of molecules of gas , this means that the diffusional flux of gas molecules across the plane at can be expressed by which of the following equations, which can be equated to Fick's first law of diffusion to solve for the diffusion coefficient?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題用分子運動的簡化模型估算擴散通量:位於平面 兩側、距離各為 的氣體分子,分別帶著當地的氣體 質量分率穿越該平面。兩側質量分率不同,造成淨通量。
質量通量的方向由高質量分率流向低質量分率。依題目採用的模型, 為分子數濃度, 為每莫耳分子量,故單位體積的質量為 。
解題方法
取 為通量正方向。由 朝 穿越平面的通量,扣除由 朝 穿越平面的通量,得
當質量分率隨位置平滑變化時,在 附近作一階近似:
兩者相減後,中央位置的質量分率抵消:
因此符合選項 (C)。負號表示通量方向與質量分率增加的方向相反。與質量分率形式的 Fick 第一定律 比較,可得
第 15 題2 分
The diffusion coefficient is therefore which of the following?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題要辨認氣體自擴散係數 與分子平均速率 、平均自由徑 的關係。依本題採用的簡化氣體動力論模型:
平均速率描述分子移動的快慢,平均自由徑描述分子兩次碰撞間的平均移動距離;兩者相乘的量綱為擴散係數。
解題方法
先檢查各選項的量綱。擴散係數的單位為長度平方除以時間:
而 、,因此 的單位是 。 若代表數密度,單位為 ; 若代表分子量,則帶有質量相關單位,兩者都不能額外乘進擴散係數的關係式。
選項分析
第 16 題2 分
Now you know: by how many times does hydrogen diffuse faster than tritium?
(A) 1.414
(B) 1.732
(C) 2.000
(D) 3.000
(E) 4.000
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核心觀念
氣體通過細小多孔障壁時,若分子與孔壁碰撞遠多於分子彼此碰撞,傳輸以 Knudsen 擴散為主。相同溫度、相同孔隙條件下,Knudsen 擴散係數與分子量平方根的倒數成正比:
其中 為孔隙半徑, 為氣體的莫耳質量。
解題方法
題目所述氫氣為 ,莫耳質量約為 ;氚氣為 ,每個氚原子的質量約為氫原子的 3 倍,因此 的莫耳質量約為 。
在同一多孔障壁與相同溫度下,擴散係數比為:
Problem 3 (8%). Each sub-question is worth 2%.
Drying of hydrated materials
Dehydration technologies are very important for the pharmaceutical and food industries. The shelf life of many related products can be greatly extended by their dry form after water removal.
第 17 題2 分
Which of the following graphs best describes the evaporation rate over time for the hydrated (supersaturated) porous medium?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(附圖:五張蒸發速率 (g/min)對 (min)曲線。(A) 先持平,短暫跳升到較高的平台,之後下降成一段緩坡,再陡降並以曲線趨近零;(B) 先上升到平台,接著隆起一個峰後下降至零;(C) 高平台後直線下降到較低的平台,再直線下降至零;(D) 從低處緩升成鐘形峰,再下降至零;(E) 先直線上升到平台,平台後先以較緩的斜率下降,再以曲線下降至零。)
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核心觀念
多孔濕材料的乾燥速率通常分為升溫期、恆速乾燥期與降速乾燥期。蒸發速率 是單位時間內水分蒸發的質量:
其中 為材料中的水分質量。初期材料升溫,蒸發速率逐漸增加;表面維持濕潤時,蒸發主要受外部熱量與質量傳遞控制,速率近似固定。表面水分耗盡後,內部水分補充到表面的速度成為限制,蒸發速率便隨時間下降,最後趨近於零。
解題方法
依序辨認曲線中的乾燥階段:
- 初期速率上升,表示材料正在升溫。
- 中段出現近似水平的平台,表示表面持續濕潤,進入恆速乾燥期。
- 後段速率逐漸下降,表示水分傳輸受內部移動限制,進入降速乾燥期。
- 水分逐漸耗盡後,蒸發速率趨近於零。
符合這些特徵的是 (E)。
第 18 題2 分
During the constant rate period, the system is essentially identical to which of the following?
(A) Evaporation of water droplets on a pan.
(B) Evaporation of a puddle of muddy water after a rainy day.
(C) Evaporation of hot water placed inside a cup.
(D) Drying of a wet mop with the excess water already squeezed out.
(E) Evaporation of water droplets sprinkled from a nozzle into hot air.
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核心觀念
乾燥的恆速乾燥期中,固體表面仍維持濕潤,水分能由內部持續補充到表面。此時表面近似一層自由水面,乾燥速率主要由外部熱量與水蒸氣傳質控制;在空氣條件固定時,表面溫度接近濕球溫度。
因此,恆速乾燥期可用「液態水表面暴露於流動熱空氣中蒸發」來類比。
解題方法
比對各選項時,抓住兩個特徵:表面是否持續有液態水,以及水分是否由熱空氣帶走。將濕潤固體的表面視為水滴表面,最直接的類比是水滴在熱空氣中蒸發,因此選 (E)。
選項分析
- (A) 錯。 水滴落在 的平底鍋上,主要受極高溫固體加熱,可能劇烈沸騰或快速汽化;熱量來源與一般恆速乾燥期的熱空氣對流不同。
- (B) 不如 (E) 貼切。 泥水水窪確實有自由液面,也會蒸發;
第 19 題2 分
What is the rate of evaporation in the constant rate period if you are heating your hydrated material from ? The input power is . The specific heat capacity of the solid porous material is . The specific heat capacity of liquid water is , and that of water vapor is . The latent heat of water evaporation is . The dry solid is and the wet solid is initially .
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
乾燥的恆速乾燥期中,物料表面仍維持濕潤,供入的熱量主要用來克服水的汽化潛熱。若假設輸入功率全數用於水分汽化、沒有熱損失,則蒸發速率為
其中 是熱功率, 是水的汽化潛熱。
解題方法
將功率換成每秒輸入的能量,並除以每克水的汽化所需能量:
因此蒸發速率約為 。
題目所給固體與液態水的比熱、質量可用來計算物料由 升溫所需的熱量;但若要將這段升溫熱量換算成每秒耗能,還需要升溫時間或升溫速率。水蒸氣比熱則須配合蒸氣離開時的溫度,才能計算過熱蒸氣的顯熱。題目沒有提供這些資料,因此依恆速乾燥的常見假設,以輸入功率供應汽化潛熱計算。
選項分析
第 20 題2 分
To estimate the rate of evaporation in the constant rate period from a mass transfer point of view, what system parameters are needed? (Multiple answers)
(A) Reynolds number of liquid water.
(B) Temperature of the water.
(C) Altitude.
(D) Relative humidity of the air.
(E) Rayleigh number of liquid water.
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核心觀念
乾燥的恆速期中,材料表面仍有足夠的自由水,表面可近似視為被水蒸氣飽和。從氣相質傳觀點,蒸發通量可寫成:
其中 是氣相質傳係數, 是材料表面的水蒸氣濃度, 是主流空氣中的水蒸氣濃度。蒸發總速率為 , 是蒸發表面積。
表面水蒸氣濃度由水的溫度決定;主流空氣中的水蒸氣含量則與相對濕度及大氣壓力有關,而大氣壓力會隨海拔改變。
解題方法
將表面與主流空氣的水蒸氣濃度差視為質傳推動力:
- 表面水蒸氣分壓近似為該水溫下的飽和蒸氣壓 。
- 主流空氣中的水蒸氣分壓可由相對濕度估算:,其中 為相對濕度。
- 要由分壓換算濃度,需知道總壓力 ;海拔可用來估計當地大氣壓力。
Problem 4 (15%).
A distillation column is designed to separate a feed that contains a binary mixture with 40 mol% of light component A. The mole fraction of light component A in the distillate should achieve 90 mol%, and the heavy component in the bottom should achieve 90 mol%. The minimum reflux ratio has been estimated to be 0.8 with the given feed condition. Please use the equilibrium line in the figure below to answer the questions.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
第 21 題5 分
Based on the above information, what would the feed condition be?
(A) Superheated vapor
(B) Superheated liquid
(C) Subcooled vapor
(D) Subcooled liquid
(E) Mixture of liquid and vapor
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核心觀念
進料熱狀態可由進料線( 線)的斜率判斷:
其中, 代表過冷液體, 代表飽和液體, 代表氣液混合物, 代表飽和蒸氣, 代表過熱蒸氣。
解題方法
精餾段操作線通過 ,其斜率為 。代入 、:
在最小回流比下,操作線與圖中的平衡線相切於夾點。由圖估讀,夾點約為 。進料組成為 ,所以 線通過 與夾點,其斜率約為:
因此:
第 22 題5 分
The distillation column is operated at 1.5 times the minimum reflux ratio. How many ideal plates are at least needed to achieve the design specifications?
(A) 3
(B) 5
(C) 7
(D) 9
(E) 11
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核心觀念
本題使用 McCabe–Thiele 圖解法計算理論板數。每一理論板由兩步構成:從操作線水平移至平衡線,再垂直移回操作線。進料板以上使用精餾段操作線,以下使用提餾段操作線。
設輕組分 A 的液相莫耳分率為 、氣相莫耳分率為 。塔頂規格為 ;塔底重組分為 90 mol%,所以 。題組給定進料含 40 mol% 的 A,且最小回流比 。
解題方法
實際回流比為
由圖及最小回流條件可判定進料為飽和液體,因此 ,進料線為 的垂直線。
精餾段操作線為
進料線與精餾段操作線交點約為 。提餾段操作線通過此交點及塔底點 ,因此約為
第 23 題5 分
With the same reflux ratio as in Question 22, the feed condition has changed to saturated liquid. Please estimate how many plates can be reduced or should be added to achieve the design specifications.
(A) 1 reduced
(B) 2 reduced
(C) 1 added
(D) 2 added
(E) 3 added
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核心觀念
本題用 McCabe–Thiele 圖解法比較進料狀態改變前後所需的理論板數。回流比為
精餾段操作線由 與回流比決定;進料熱狀態則透過 線改變進料板附近的操作線與階梯位置。飽和液體的 ,所以 線是 的垂直線。
解題方法
在原圖上以 畫精餾段操作線,並依原進料狀態的 線與提餾段操作線逐階踏取至 。再將進料改為飽和液體,使用 的垂直 線重畫進料板以下的操作線並踏階比較。
第 24 題5 分
A heat exchanger was designed to heat a process liquid stream from to using saturated steam at . The heat exchanger is operated at the designed conditions with the designed exchanger area and specifications. One day, the flow rate of the liquid is reduced by 50% due to a process upset. What do you expect the outlet temperature of the liquid stream to be if the inlet temperature of the process liquid is unchanged?
Please estimate under the following assumptions:
- The overall heat transfer coefficient is dominated by the process liquid side and can be estimated by . Here, is the overall heat transfer coefficient of the heat exchanger; is a constant; is the Reynolds number; and is the Prandtl number.
- All the physical properties of the liquid stream are temperature-independent.
- The process liquid stream is in a single phase.
- The saturated steam side is at a constant temperature of .
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查熱交換器的熱量衡算、對數平均溫差(LMTD),以及流率改變時整體熱傳係數的變化。蒸汽溫度固定,因此兩端溫差分別由液體進、出口溫度決定:
熱交換器傳熱量為 ;液體吸收的熱量則為 。
解題方法
設設計流率為 ,設計出口溫度為 。設計時兩端溫差為 與 ,所以
流率降為一半後,因管徑與液體物性不變,雷諾數也降為一半;普朗特數不變。因此新整體熱傳係數與設計值的比值為
令新出口溫度為 。新狀況下兩端溫差為 與 ,故
固定面積下,將新舊熱量衡算式相除:
第 Problem 6 題20 分
A fluid flows (along the direction) through a slightly tapered tube with length . The tube radius changes linearly from at the tube entrance to a slightly smaller value at the tube exit. Assume that the Hagen–Poiseuille equation is approximately valid over a differential length of the tube so that the mass flow rate is
where and are the density and viscosity of the fluid, respectively, and is the modified pressure.
(a) Write down the assumptions that were made in obtaining the Hagen–Poiseuille equation. (5%)
(b) Write down the expression for as a function of for the tapered tube. (4%)
(c) Change the independent variable in Eq. (1) to , so that the equation becomes
(5%)
(d) Integrate Eq. (2) to obtain an expression for the mass flow rate. (6%)
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核心觀念
本題考查 Hagen–Poiseuille 定律,以及管半徑隨軸向位置改變時的變數代換與積分。由於管徑只緩慢變化,可將每一小段管子視為半徑近似固定的圓管,並假設全管的質量流率 相同。
(a) Hagen–Poiseuille 方程的假設
推導 Hagen–Poiseuille 方程時,採用下列假設:
- 流體為牛頓流體,且密度 與黏度 為常數。
- 流動為穩態、層流,且流體不可壓縮。
- 圓管為直管,流動軸對稱且充分發展;速度只有軸向分量,且不隨軸向位置改變。
- 管壁滿足無滑移條件,管壁處流速為零。
- 壓力梯度是流動的驅動力;重力等效應已併入題目所稱的修正壓力 ,或可忽略。
本題的管半徑略有變化,因此另外採用局部近似:在微小長度 內,半徑變化足夠小,Hagen–Poiseuille 方程仍可近似適用。
(b) 半徑與軸向位置的關係
半徑沿管長線性變化,且 時 、 時 ,因此
(c) 以 取代 作為自變數
由上式微分可得
利用鏈鎖律,
代入式 (1),得到
由於 ,所以 。沿流動方向壓力下降,;因此 ,符號與流動方向一致。
(d) 積分求質量流率
Problem 7 (10%). Details of the calculation and justification are required for the answers.
Silica nanoparticles, with a mass concentration of 1.0% by weight and a bulk density of , are dispersed in water (density of the aqueous solution: ). The total volume of the aqueous solution is 1.0 liter. A small spray dryer is used to transform the silica nanoparticle aqueous suspension into dried, fine powder. The average diameter of the silica nanoparticles is .
The air flow rate in the spray dryer is , and the transport length for drying in the heating zone is . The diameter of the drying tube is . After 5 hours of spray drying, all silica nanoparticles in the aqueous solution are converted into dried powder, with a free moisture content of less than .
第 Problem 7-(a) 題2 分
Please estimate the total number concentration of silica nanoparticles in the aqueous phase (unit: particles/ of solution).
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核心觀念
以「二氧化矽總質量 ÷ 單顆奈米粒子質量」求出粒子總數,再除以溶液體積,即得每立方公分溶液中的粒子數。假設粒子為直徑 的單分散球體,且題目給的 為粒子密度。
解題方法
溶液體積為 ,溶液密度為 ,因此溶液總質量為
二氧化矽的重量百分濃度為 ,所以二氧化矽總質量為
將粒徑換算為公分:
單顆球形粒子的體積為
第 Problem 7-(b) 題3 分
What are the retention time of the particle in the spray dryer and the average drying rate in this system, in terms of of water per minute?
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核心觀念
粒子在乾燥管內的停留時間,可用乾燥區體積除以空氣體積流率估算;等價地,也可用乾燥管長度除以管內平均氣速。此估算假設粒子隨氣流移動,且題目給的空氣流率適用於乾燥區內的操作狀態。
平均乾燥速率則是乾燥期間每單位時間移除的水量:
解題方法
乾燥管截面積為:
管內乾燥區體積為:
空氣流率換算為:
因此粒子停留時間估算為:
接著計算水分移除量。總水溶液質量為:
第 Problem 7-(c) 題2 分
Based on (a) and (b), the particle concentration in the aqueous phase can be effectively increased by up to 20 times using a centrifugal cleaning method, i.e., a mechanical separation process. What is the maximum total number concentration of silica nanoparticles in the aqueous phase after the centrifugation process?
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核心觀念
粒子數濃度定義為單位體積中的粒子總數:
離心濃縮會減少懸浮液體積,但在不損失二氧化矽粒子的假設下,粒子總數 不變。因此,濃度提高 20 倍時,粒子數濃度也提高 20 倍。
解題方法
先由重量百分濃度求出二氧化矽總質量。水溶液密度為 ,體積為 ,所以溶液總質量為
二氧化矽占溶液質量的 ,故其總質量為
將單顆奈米粒子視為直徑 的球體。換算單位後,半徑為
單顆粒子的體積為
利用二氧化矽密度 ,求得單顆粒子的質量:
第 Problem 7-(d) 題3 分
Instead of spray drying, a regular plate dryer is used to dry the concentrated solution with a particle mass concentration of 20.0%. Due to the significant increase in particle concentration, the critical moisture content must be considered. Assume that the critical moisture content is and that the drying rate decreases linearly with water content. The drying area is , and the drying rate at the critical point is .
Would you expect complete drying within 5 hours of operation, where complete drying is defined as a free moisture content of less than ?
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核心觀念
乾燥速率降至臨界含水量以下後,進入降速乾燥期。本題假設乾燥速率與含水量成正比,且在臨界點的乾燥速率為 ,因此:
其中 為每公斤二氧化矽所含的水量,單位為 。乾燥速率也可寫成:
是二氧化矽質量, 是乾燥面積。
解題方法
原溶液體積為 ,密度為 ,所以溶液總質量為 。二氧化矽質量為:
濃縮後二氧化矽質量分率為 ,總溶液質量為:
因此水的質量為 ,初始含水量為:
Problem 8 (10%).
Removal of airborne virus particles from the environment is important from a public health perspective. This problem evaluates an electrostatic filter installed in an air-conditioning facility. To simplify the mechanism, assume the filter is a small fixed-bed cylindrical filter. The filter diameter is and its length is . The air flow rate is constant at .
More than 99% of airborne virus particles can be assumed to be sphere-like, and their diameters are –. Since the characteristics of these particles are similar, assume that the airborne virus particles are spherical with an average diameter of . The density of the cylindrical filter is approximately .
A butanol-based condensation particle counter is used to record the number concentrations of airborne virus particles eluting from the filter. Prior to installation of the filter, the particle number concentration is . After installation, no particles elute during the first 3 days. On Day 4, the concentration increases to . On Day 5, the concentration is . On Day 6, the concentration is . On Day 7, the concentration is . On Day 8, the concentration is almost the same as it was before the filter was used.
Based on the experimental data described above:
第 Problem 8-(a) 題2 分
Draw a breakthrough curve in terms of the relative/normalized number concentration of airborne virus particles eluting from the cylindrical filter versus the time of operation.
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核心觀念
固定床過濾器的穿透曲線(breakthrough curve)以出口粒子數濃度相對於入口濃度表示:
其中 是濾器安裝前的粒子數濃度, 是濾器運轉期間的出口粒子數濃度。當 接近 ,表示粒子幾乎都被濾除;當 接近 ,表示出口濃度已接近入口濃度,濾床幾乎失去捕集能力。
解題方法
題目給定濾器安裝前的濃度 。逐日將出口濃度除以 :
| 運轉時間(天) | 出口濃度 (particles/cm³) | 相對濃度 |
|---|---|---|
| 1–3 | 0 | 0 |
| 4 | 0.02 | |
| 5 | 0.05 | |
| 6 | 0.10 | |
| 7 | 0.50 | |
| 8 | 約 | 約 1.00 |
例如第 7 天:
依據這些資料繪製相對濃度對運轉時間的曲線。第 8 天題目描述為「幾乎與使用濾器前相同」,因此以 標示。
第 Problem 8-(b) 題2 分
Estimate the saturation capacity of the adsorbent in terms of the number of virus particles per gram of adsorbent.
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核心觀念
濾材的飽和容量可由進、出口粒子數濃度的差值累積求得。每單位時間捕集的粒子數為
因此,將每日捕集量加總,再除以濾材質量,即得每克濾材的粒子數容量。
解題方法
假設題目所列濃度代表各日的平均出口濃度,且 Day 8 的出口濃度已接近入口濃度,因此 Day 8 的捕集量可視為零。入口濃度為 。
將每日捕集量換算成相當於「入口濃度完整的一日」:
- Day 1–3:出口濃度為零,捕集 個完整日的入口粒子量。
- Day 4:捕集比例為 。
- Day 5:捕集比例為 。
- Day 6:捕集比例為 。
- Day 7:捕集比例為 。
總捕集量相當於
個完整日的入口粒子量。流量換算為 ,故累積捕集粒子數為
第 Problem 8-(c) 題2 分
Estimate the fraction of the bed used when the number concentration of airborne virus particles eluting from the filter is , i.e., when the breakpoint time is set to 6 days.
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核心觀念
固定床的「床層使用分率」可用截至某一時刻已吸附的粒子總量,除以整個操作至床層飽和時的總吸附量估算。流量與入口濃度皆固定,因此吸附量與突破曲線上的去除分率面積成正比:
其中 是入口濃度, 是出口濃度; 天為題目指定的突破時間, 天為出口濃度幾乎回到入口濃度、床層近乎飽和的時間。
解題方法
將出口濃度正規化為 ,並以相鄰日期間線性變化估算曲線面積。出口濃度的正規化數值如下:
| 時間(天) | 去除分率 | |
|---|---|---|
| 0–3 | 0 | 1 |
| 4 | 0.02 | 0.98 |
| 5 | 0.05 | 0.95 |
| 6 | 0.10 | 0.90 |
| 7 | 0.50 | 0.50 |
第 Problem 8-(d) 題2 分
Continuing from (b) and (c): If the density of the virus particle is assumed to be the same as that of water, what is the saturation capacity of the adsorbent in terms of ?
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核心觀念
飽和吸附容量是濾材達到飽和前所捕集的病毒總質量,除以吸附劑總質量:
捕集量由進出口濃度差計算。由於題目提供的是每日濃度資料,以下假設相鄰日期間的出口濃度線性變化,使用梯形法積分。
解題方法
空氣流量為 ,因此每日通過濾材的空氣體積為
入口粒子濃度固定為 。將出口濃度除以入口濃度,可得各日的穿透比例。第 0 至第 3 日出口濃度為零;第 4 至第 8 日的穿透比例依序為 。捕集比例為 減去穿透比例。
以梯形法計算捕集比例對時間的積分:
因此捕集的總粒子數為
第 Problem 8-(e) 題2 分
The breakpoint concentration is changed to . What is the total number of virus particles eluting into the environment, i.e., not captured by the filter?
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核心觀念
未被濾材捕捉的粒子數,等於出口粒子數濃度對時間積分,再乘上體積流率:
其中 為空氣流率、 為出口粒子數濃度, 為出口濃度首次達到突破濃度的時間。題目只提供每日濃度,因此以下假設相鄰測量點之間的濃度呈線性變化,並以梯形法計算積分。
解題方法
突破濃度為 。Day 6 的濃度為 ,Day 7 為 。線性內插突破時間:
出口濃度在 Day 1 至 Day 3 皆為零。將 Day 3 至突破時刻的濃度曲線分段,以梯形法計算濃度與時間的積分: