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系統識別號 U0002-1307200912111800
中文論文名稱 塔高總和固定的Frazier裝置中令塔高依 等比遞變之熱擴散分離研究
英文論文名稱 A Study on Thermal Diffusion in the Frazier Scheme with the Sum of Total Column Heights Fixed but Column HeightsVaried in Equi-ratio
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 陳榴儀
研究生英文姓名 Liu Yi Chen
學號 696400414
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2009-06-24
論文頁數 136頁
口試委員 指導教授-葉和明
委員-鄭東文
委員-蔡少偉
中文關鍵字 熱擴散塔  改良型Frazier 裝置  最佳等比係數  最佳塔數  等塔高  固定塔高總和 
英文關鍵字 Thermal Diffusion  modified Frazier Scheme  Optimal constant ratio  Optimum column number  constant column height  Total sum of column height fixed 
學科別分類
中文摘要 首先我們研究在Frazier熱擴散塔裝置之固定塔高總和下,等塔高之塔數對分離效率的影響。並且獲得一個可預測最佳板數以符合最大分離度之經驗式。我們取分離苯與正庚烷、水同位素中分離重水及回收重氫做為範例系統,且可有效改善其分離效果,實際上在Frazier裝置下,經驗式有其操作流率限制範圍。
其次,除了等塔高之最佳化板數外,改變其Frazier裝置,依等比遞變下之塔高亦被研究討論。並且獲得在等比遞變下之Frazier裝置,一個可預測最佳板數、最佳等比遞變係數以及最大分離度之經驗式。依照等塔高裝置之範例系統下去計算,我們可發現隨著流率的增加,其最佳板數隨之遞增,然而其最佳等比遞變係數會隨之遞減且塔高都是隨之遞增的,並且可得知等比遞增為其最佳化。我們利用其最佳等比遞變下之裝置可發現其分離效率遠比傳統裝置下之分離效果來得佳。
英文摘要 First, the effect of the number of columns (or the uniform column height) on the separation efficiency in thermal diffusion columns of the Frazier scheme at fixed sum of column heights has been investigated. The equations for predicting the optimum number of columns and the corresponding maximum separation were derived. The numerical examples for the separation of benzene-n-heptane system and water-isotopes mixture, as well as the recovery of deuterium from water-isotopes mixture, have been illustrated. Considerable enrichment in separation is obtainable if the number of columns (or the uniform column height) in a Frazier scheme is properly assigned for a certain flow-rate operation.
Next, in addition to the device of optimal number of columns, the modified Frazier scheme, in which the column heights are also varied at a constant ratio, has been further investigated. The equations of the optimal column number, optimal column height ratio and the corresponding maximum degree of degree of separation in the modified Frazier scheme were derived by employing the method of variable univaniant. The numerical examples given before were also employed and calculated. It is found that as the flow rate increases, the optimal column number increases, while the optimal column height ratio decreases. Considerable improvement in separation can be achieved by employing the modified Frazier scheme rather than using the classic Frazier scheme, as well as even using the one only with the optimal column number.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅸ
第一章 緒論 1
1-1 熱擴散的起源 1
1-2 熱擴散的沿革 3
1-3 熱擴散之應用 6
1-4 重水及重氫及其用途 10
1-5 研究動機與目的 25
第二章 理論分析 26
2-1 熱擴散塔之現象 26
2-2等塔高Frazier裝置中的分離度公式 28
2-2-1一般二成份系統 31
2-2-2 水同位素系統 32
2-2-3 重氫之回收 34
2-3 塔高以等比遞變之Frazier裝置的分離度公式 35
2-3-1 一般二成份系統 39
2-3-2 水同位素系統 39
2-3-3 重氫之回收 40
第三章 Frazier 裝置之最佳設計 41
3-1等塔高之最佳塔數 41
3-2最佳之等比係數、等比遞變下板數及分離度 57
3-3 計算範例 89
3-3-1 苯-正庚烷系統 89
3-3-2 水同位素系統 100
3-3-3 重氫之回收 110
3-4 結果與討論 120
第四章 結論 121
符號說明 123
參考文獻 130





圖目錄
圖1-1 Ludwing之實驗裝置示意圖 1
圖1-2 Dufour效應,濃度梯度產生溫度梯度示意圖 2
圖1-3 Soret效應,溫度梯度產生濃度梯度示意圖 3
圖1-4 水平式平板型擴散裝置示意圖 4
圖1-5 垂直式平板型擴散裝置示意圖 5
圖1-6 核分裂與核融合 16
圖 2-1 直立熱重力熱擴散塔示意圖 27
圖 2-2 Frazier裝置圖 28
圖 2-3 等比遞變之Frazier 裝置圖 36
圖3-1-1分離苯與正庚烷於總塔高為25m之等塔高lnξ對lnN*0 44
圖3-1-2分離苯與正庚烷於總塔高為50m之等塔高lnξ對lnN*0 45
圖3-1-3 分離苯與正庚烷於總塔高為75m之等塔高lnξ對lnN*0 46
圖3-1-4 分離苯與正庚烷於等塔高之lnξ對lnN*0 47圖3-1-5分離水同位素之重水於總塔高為25m之等塔高lnξ對lnN*0 51
圖3-1-6分離水同位素之重水於總塔高為50m之等塔高lnξ對lnN*0 52
圖3-1-7分離水同位素之重水於總塔高為75m之等塔高lnξ對lnN*0 53
圖3-1-8 分離水同位素之重水於等塔高之lnξ對lnN*0 54
圖3-1-9 分離二成份及水同位系統於等塔高之lnξ對lnN*0 56
圖3-2-1在總塔高長度25m下,取σ= 48 g/min (ξ= 143.198)為例 65
圖3-2-2分離苯與正庚烷二成份系統,其ln(ξ)對ln(R*-1)之關係 68
圖3-2-3分離苯與正庚烷二成份系統之ln(ξ)對ln(N*)之關係 69
圖3-2-4分離苯與正庚烷二成份系統下之ln(ξ)對ln(ΔN,max/AU)之關係
70
圖3-2-5水同位素中分離重水系統,其ln(ξ)對ln(R*-1)之關係 80
圖3-2-6水同位素中分離重水系統,其ln(ξ)對ln(N*)之關係 81
圖3-2-7水同位素中分離重水系統,其ln(ξ)對ln(ΔN,max/AU)之關係
82
圖3-2-8水同位素與二成份系統於各個總塔高範圍之ln(ξ)對ln(R*-1)之關係 85
圖3-2-9水同位素與二成份系統於各個總塔高範圍之ln(ξ)對ln(N*)之
關係 86
圖3-2-10水同位素與二成份系統於各個總塔高範圍之ln(ξ)對ln(Δ
N,max/AU)之關係 87
圖 3-3-1-1 二成份系統在L=25m下,不同條件下log(σ)對log(ΔN) 97
圖 3-3-1-2 二成份系統在L=50m下,不同條件下log(σ)對log(ΔN) 98
圖 3-3-1-3 二成份系統在L=75m下,不同條件下log(σ)對log(ΔN) 99
圖 3-3-2-1 水同位素分離重水系統在L=25m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 107
圖 3-3-2-2 水同位素分離重水系統在L=50m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 108
圖 3-3-2-3 水同位素分離重水系統在L=75m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 109
圖 3-3-3-1 重水中回收重氫系統在L=25m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 117
圖 3-3-3-2 重水中回收重氫系統在L=50m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 118
圖 3-3-3-3 重水中回收重氫系統在L=75m下,不同條件下log(σ)
對log(ΔN) 119










表目錄
表1-1 熱擴散塔分離高價物質之實例摘要一覽表 8
表1-2 普通水與重水的比較 11
表1-3 同位素所形成的核融合反應 20
表3-1-1 分離苯與正庚烷於總塔高為25m之等塔高最佳板數 42
表3-1-2 分離苯與正庚烷於總塔高為50m之等塔高最佳板數 42
表 3-1-3 分離苯與正庚烷於總塔高為75m之等塔高最佳板數 43
表 3-1-4 水同位素中分離重水於總塔高為25m之等塔高最佳板數 49
表 3-1-5 水同位素中分離重水於總塔高為50m之等塔高最佳板數 49
表 3-1-6 水同位素中分離重水於總塔高為75m之等塔高最佳板數 50
表3-2-1分離苯與正庚烷於總塔高為25m之不同固定板數
(N=5,10,15,20,25)下之最佳等比係數 58
表3-2-2分離苯與正庚烷於總塔高為25m之不同固定板數
(N=30,35,40,45,50)下之最佳等比係數 59
表3-2-3分離苯與正庚烷於總塔高為50m之不同固定板數
(N=5,10,15,20)下之最佳等比係數 60
表3-2-4分離苯與正庚烷於總塔高為50m之不同固定板數
(N=25,30,35,40)下之最佳等比係數 61
表3-2-5分離苯與正庚烷於總塔高為50m之不同固定板數
(N=45,50,55,60)下之最佳等比係數 62
表3-2-6分離苯與正庚烷於總塔高為75m之不同固定板數
(N=10,20,30,40,50)下之最佳等比係數 63
表3-2-7分離苯與正庚烷於總塔高為75m之不同固定板數
(N=60,70,80,90,100)下之最佳等比係數 64
表3-2-8分離苯與正庚烷於總塔高為25m之最佳等比係數、板數及分
離度 66
表3-2-9分離苯與正庚烷於總塔高為50m之最佳等比係數、板數及分
離度 66
表3-2-10分離苯與正庚烷於總塔高為75m之最佳等比係數、板數及
分離度 67
表3-2-11水同位素中分離重水於總塔高為25m之不同固定板數
(N=10,20,30,40,50)下之最佳等比係數 72
表3-2-12水同位素中分離重水於總塔高為25m之不同固定板數
(N=60,70,80,90,100)下之最佳等比係數 73
表3-2-13水同位素中分離重水於總塔高為25m之不同固定板數
(N=120,140,160,180,200)下之最佳等比係數 73
表3-2-14水同位素中分離重水於總塔高為50m之不同固定板數
(N=10,20,30,40,50)下之最佳等比係數 74
表3-2-15水同位素中分離重水於總塔高為50m之不同固定板數
(N=60,70,80,90,100)下之最佳等比係數 74
表3-2-16水同位素中分離重水於總塔高為50m之不同固定板數
(N=120,140,160,180,200)下之最佳等比係數 75
表3-2-17水同位素中分離重水於總塔高為50m之不同固定板數
(N=220,240)下之最佳等比係數 75
表3-2-18水同位素中分離重水於總塔高為75m之不同固定板數
(N=10,20,30,40,50)下之最佳等比係數 76
表3-2-19水同位素中分離重水於總塔高為75m之不同固定板數
(N=60,70,80,90,100)下之最佳等比係數 76
表3-2-20 水同位素中分離重水於總塔高為75m之不同固定板數
(N=120,140,160,180,200)下之最佳等比係數 77表3-2-21 水同位素中分離重水於總塔高為75m之不同固定板數
(N=220,240,260,280,300)下之最佳等比係數 77
表3-2-22 水同位素中分離重水於總塔高為25m之最佳等比係數、板數及分離度 78
表3-2-23水同位素中分離重水於總塔高為50m之最佳等比係數、板數及分離度 78
表3-2-24水同位素中分離重水於總塔高為75m之最佳等比係數、板數及分離度 79
表3-3-1-1 總塔高L=25m之Frazier裝置下,分離苯與正庚烷於板數N=10及最佳板數N0*下之比較 91
表3-3-1-2 總塔高L=50m之Frazier裝置下,分離苯與正庚烷於板數N=20及最佳板數N0*下之比較 92
表3-3-1-3 總塔高L=75m之Frazier裝置下,分離苯與正庚烷於板數N=30及最佳板數N0*下之比較 93
表3-3-1-4 總塔高L=25m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離苯與正庚烷於板數N=10及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 94
表3-3-1-5 總塔高L=50m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離苯與正庚烷於板數N=20及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 95
表3-3-1-6 總塔高L=75m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離苯與正庚烷於板數N=30及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 96
表3-3-2-1 總塔高L=25m之Frazier裝置下,分離水同位素下之重水於板數N=10及最佳板數N0*下之比較 101
表3-3-2-2 總塔高L=50m之Frazier裝置下,分離水同位素下之重水於板數N=20及最佳板數N0*下之比較 102
表3-3-2-3 總塔高L=75m之Frazier裝置下,分離水同位素下之重水於板數N=30及最佳板數N0*下之比較 103
表3-3-2-4 總塔高L=25m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水於板數N=10及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 104
表3-3-2-5 總塔高L=50m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水於板數N=20及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 105
表3-3-2-6 總塔高L=75m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水於板數N=30及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 106
表3-3-3-1 總塔高L=25m之Frazier裝置下,分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=10及最佳板數N0*下之比較 111
表3-3-3-2 總塔高L=50m之Frazier裝置下,分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=20及最佳板數N0*下之比較 112
表3-3-3-3 總塔高L=75m之Frazier裝置下,分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=30及最佳板數N0*下之比較 113
表3-3-3-4 總塔高L=25m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=10及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 114
表3-3-3-5 總塔高L=50m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=20及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 115
表3-3-3-6 總塔高L=75m之Frazier裝置下,以等比遞變之塔高下去分離水同位素之重水中回收重氫於板數N=30及最佳等比板數N*及最佳等比R*下之比較 116
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[57] G.S.G. Beveridge, R.S. Schechter, Optimization : Theory and Practice, McGraw-Hill, New York, pp. 363-432, 1970.
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