本文以平板型Frazier熱擴散塔裝置為基礎，在塔高總和固定下，塔高以等差遞變與等塔高之裝置對分離效果之影響加以分析討論。本文中所討論的進料質量濃度分率在全濃度範圍下的三種範例系統分別為，苯-正庚烷二成份系統、重水系統與重水中回收重氫系統。等塔高與等差遞變塔高之Frazier裝置的分離度公式已於本文中推導出，利用先前文獻之實驗數據並依照各系統作適當之計算處理，可得各系統於等塔高與等差遞變塔高Frazier裝置之分離度值，並篩選最佳分離度之值，再加以整理成最佳裝置設計之經驗式，且在最佳等差係數 值大於零時，即等差遞增之塔高裝置，具有最佳之分離度值；至於 小於零時所呈現之分離效果雖然比等塔高裝置佳，但仍比 大於零時的分離效果差。三種範例系統所得之計算數據皆為等差遞變塔高之裝置具有最大之分離度值，其結果令人相當滿意；且藉由範例系統之計算可加以印證本文中熱擴散塔的分離理論可適用於任何具有平衡關係之液態混合物系統。

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 height has been investigated. The equations for predicting the optimum number of columns and 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 increment, has been further investigated. The equations of the optimal column number, optimal difference of column height and the corresponding maximum 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 increment of column height 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.

中文摘要                                                  I
英文摘要                                                 II
目錄                                                     IV
 圖目錄                                                  VI
 表目錄                                                VIII
第一章 緒論                                               1
   1-1 熱擴散沿革                                         1
   1-2 熱擴散的應用                                       7
   1-3 重水及重氫的用途                                  12
   1-4 研究動機與目的                                    25
第二章	分離理論分析                                    27
   2-1 熱擴散現象                                        27
   2-2 等塔高Frazier裝置中的分離度公式                   29
    2-2-1 一般二成份系統                                 32
    2-2-2 水同位素中重水系統                             33
    2-2-3 重氫之回收                                     35
   2-3 塔高以等差遞變之Frazier裝置的分離度公式           37
    2-3-1 一般二成份系統                                 40
    2-3-2 水同位素中重水系統                             41
    2-3-3 重氫之回收                                     41
第三章 Frazier裝置之最佳設計                             43
   3-1 等塔高之最佳塔數                                  43
   3-2 塔高依等差遞變之最佳塔數與最佳等差係數            50
   3-3 計算範例                                          53
    3-3-1 苯-正庚烷系統                                  54
    3-3-2 水同位素中分離重水系統                         64
    3-3-3 水同位素中回收重氫系統                         75
   3-4 結果與討論                                        86
第四章 結論                                              88
符號說明                                                 90
參考文獻                                                 94


圖目錄

圖1-1 Ludwing之實驗裝置示意圖                             1
圖1-2 Dufour效應，因濃度梯度產生瞬時溫度梯度示意圖         2
圖1-3 Soret效應，因溫度梯度產生濃度梯度示意圖              3
圖1-4 水平平板式熱擴散塔裝置示意圖                        4
圖1-5 熱重力式熱擴散塔裝置示意圖                          5
圖1-6 續流效應(Cascading Effect)示意圖                    6
圖1-7核分裂與核融合反應                                  18
圖2-1 熱重力式熱擴散塔裝置圖                             28
圖2-2 Frazier 裝置圖                                     29
圖2-3 等差遞變之Frazier 裝置圖                           38
圖3-1 等塔高裝置之二成份系統與水同位素系統  vs           49
圖3-2 等塔高與等差遞變塔高裝置之最佳塔數                 51
圖3-3 最佳等差係數 經驗圖                                52
圖3-4 苯-正庚烷系統在總塔高 各裝置的  vs.    61
圖3-5 苯-正庚烷系統在總塔高 各裝置的  vs.    62
圖3-6 苯-正庚烷系統在總塔高 各裝置的  vs.    63
圖3-7 分離重水系統在總塔高 各裝置的  vs.     72
圖3-8 分離重水系統在總塔高 各裝置的  vs.     73
圖3-9 分離重水系統在總塔高 各裝置的  vs.     74
圖3-10 回收重氫系統在總塔高 各裝置的  vs.    83
圖3-11 回收重氫系統在總塔高 各裝置的  vs.    84
圖3-12 回收重氫系統在總塔高 各裝置的  vs.    85

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                                 14
表1-3 氘、氚及氦3之同位素所形成的核融合反應              21
表3-1 分離苯與正庚烷於總塔高25m之等塔高裝置的最佳塔數   44
表3-2 分離苯與正庚烷於總塔高50m之等塔高裝置的最佳塔數   45
表3-3 分離苯與正庚烷於總塔高75m之等塔高裝置的最佳塔數   45
表3-4 水同位素中分離重水於總塔高25m之                   46
       等塔高裝置的最佳塔數
表3-5 水同位素中分離重水於總塔高50m之                   47
       等塔高裝置的最佳塔數
表3-6 水同位素中分離重水於總塔高75m之                   47
       等塔高裝置的最佳塔數
表3-7 總塔高 之Frazier裝置下，分離苯與正庚烷        55
       於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較
表3-8 總塔高 之Frazier裝置下，分離苯與正庚烷        56
       於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較

表3-9 總塔高 之Frazier裝置下，分離苯與正庚烷        57
       於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較
表3-10 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         58
        分離苯與正庚烷於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-11 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         59
        分離苯與正庚烷於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-12 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         60
        分離苯與正庚烷於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-13 分離重水系統中各進料質量分率濃度下之 值          65
表3-14 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素系統中       66
       分離重水於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較
表3-15 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素系統中       67
       分離重水於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較
表3-16 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素系統中       68
       分離重水於塔數 及最佳塔數 下之分離度比較

表3-17 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         69
        分離重水於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-18 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         70
        分離重水於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-19 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         71
        分離重水於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-20 回收重氫系統中各進料質量分率濃度下之 值          76
表3-21 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素中           77
        重氫回收系統於塔數 及最佳塔數 下
        之分離度比較
表3-22 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素中           78
        重氫回收系統於塔數 及最佳塔數 下
        之分離度比較
表3-23 總塔高 之Frazier裝置下，水同位素中           79
        重氫回收系統於塔數 及最佳塔數 下
        之分離度比較
表3-24 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         80
        回收重水中之重氫，於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-25 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         81
        回收重水中之重氫，於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較
表3-26 總塔高 ，以等差遞變塔高的Frazier裝置         82
        回收重水中之重氫，於塔數 及最佳等差塔數 
        及最佳等差係數 下之分離度比較

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