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程序設計 : 裝置與材料的選擇(process design: material and equipment selection)

清大化工 周更生

參考資料 – 呂維明教授等著 : 化工程序設計概論Get this file from my website 上課講義

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畢業時的人生目標 (personal objective)

清晰而且長遠 : 領袖級人物 , 上層社會 (clear and far-reaching: leaders, upper class)

清晰的較為短程 : 專業人物 , 中上層社會 (clear and short range: professional, middle-upper class)

模糊的目標 : 普羅大眾 , 中層社會 (ambiguous: ordinary people, middle class)

沒有目標 : 抱怨終身 . 基層社會 (no goals: complaining all the time, base class)

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業界 (or 世界 ) 的需求 (industry need):

成本 cost 越低越好 cheap/low 合理 reasonable 勉強

表現 performance 越棒越好 great 合理 reasonable 勉強

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擁有獨門技 不怕不景氣【聯合報╱李家同／清大孫運璿榮譽講座教授（新竹市） 2012/9/22 】

我最近去線西（彰濱工業區），參觀一家製造特用化學品的公司，這家公司有一百多種化學產品，賣給全世界很多非常有名的廠商。最令我羨慕的是他們的業績非常好，紅利更是高得驚人，外面的不景氣從來沒有對他們有何影響。 ( 推測大概是百達精密化學 )

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Raw Materials Process: physical/ chemical/biological

Purification (separation)

Products Wastes (gas, liquid, solid)+

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• 程序設計 (process design): • 原料 (raw materials) 產品 (product) + 副產品 (bi-product)( 中間的一連串過程 process in between)• 廢棄物 : waste gas/waste water/solid waste• 意外事件 : fire/explosion/leakage• 產品的正面價值 vs 環保及安全的負面效應• 安全第一 / 環境至上 vs 生產第一 / 效率至上

• 程序 ( 操作 ) 的種類 : 生物的 / 化學的 / 物理的• 不同程序 ( 操作 ) 的目的 : 轉化 reaction (biological or chemical) / 分離純化• Laboratory R & D Pilot Process Design Construction of Full Plant Pilot run then full operation • 前面三年所學的綜合應用

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Material and Energy Balance: always the first thing to do

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Different forms of energy will have different meaning because the efficiency for producing and applying them will be different.

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ISO 9000 Quality Control 品質

ISO 14000 Environmental 環保

ISO 1800 Safety & Health 安全與衛生

ISO 50001 Energy 能源管理

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化學反應操作 :

-- 均相反應 ( 氣 / 液 )/ 非均相反應 ( 氣固 / 液固 )( 觸媒 )/ 生化反應 ( 發酵 )

-- 批次反應器 batch reactor/CSTR 連續式 / 固定床fixed bed/ 流體化床 fluidized bed/ 移動床 moving bed

-- 操作條件的決定 : 反應動力學 / 溫度—壓力—流速—濃度等參數的決定

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流體流動及操作 :

-- 流體輸送及儲存 (pump/pipe/storage tank)/ 流體在裝置內流動 ( 含 mixing—uniformity is the key)/ 流體化 ( 固體的行為 )/ 沈降 / 過濾 / 離心分離 (都是固液相的相關操作 )

熱傳及操作 :

-- 沸騰 /蒸發 /冷凝 /燃燒 (鍋爐 /熱媒 /冷媒 /其他各式熱傳裝置 )

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熱質傳操作 :

-- 乾燥 /調濕 /空調

粉粒體操作 :-- 研磨 /篩分 /混合 / 造粒 /粉體輸送及儲存 / 表面處理

質傳分離操作 :

-- 蒸餾 /吸附 /吸收 / 離子交換 /萃取 /薄膜分離 /晶析 crystallization/ 層析 chromatography

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程序工程 :

-- 程序設計 / 程序運轉與管理 / 程序控制 process control/ 最適化 process optimization

常見若干裝置及需要決定的規格 :

-- 反應器類 reactors/塔類 towers/槽類 tanks/熱交換器 heat exchangers/幫浦 pumps/攪拌混合-- 形式 / 大小 (直徑高度 )/形狀 / 製程的溫度與壓力 / 流體種類 / 流體特性 / 內部構造 / 材質 (腐蝕性 /吸附特性 )/厚度

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製程範例 :

-- glutamic acid (麩胺酸 ) + NaOH/activated carbon 中和脫色 (neutralization/decolorization) pH=6.5/45oC (+ 水 ) 過濾 / 清洗 濾液 + 濾餅 cake (+NaOH or HCl) 離子交換 ( 廢液 ) 二次過濾 (+ 過濾助劑 filter aid) ( 廢固體 ) 蒸發 Evaporation (+ seed crystals) 結晶 清洗 /除水 (+ 85oC 熱空氣 ) 乾燥 篩分 ( 去除過大及過小粒子 ) 含 0.5%水份 之味精 (MSG = monosodium glutamate)

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一定先質能平衡一下

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建構 Process Flow Diagram process optimization (如果有能力 )

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裝置的規格 :

名稱 數量 形式 type 待處理物質的狀態 (G/L/S)/ 條件 (x/T/P/etc) 操作條件 / 物質數量 裝置體積 / 長寬高 /直徑 /地板面積 主要設計尺寸 (如熱傳面積 / 過濾面積等 ) 建議材質 進出口管徑大小 管線的特殊考慮 (閥 / 材質 /etc) 儀表 公用水電 utility ( 含蒸氣 / 高壓空氣 ) 建造的細節 可能的供應商 工時預估 成本概算 製造廠商顯為提供相關規格及表格者之一

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許多裝置已屬標準規格 (配備 ) 可直接採購 : 例如空壓機 /真空設備 /粉碎機 / 過濾機 /集塵設備 / 管式熱交換器 /板狀熱交換器 /乾燥裝置/結晶裝置 /蒸發裝置 / 離心分離 /萃取裝置 /包裝與計量 /幫浦

其他需特別訂做 : 大多數的反應器 /蒸餾塔 /吸收塔 /吸附塔 /etc

安全係數 safety factor 的概念 : 所設計與未來實際應用必然有差距 / 一般以設備 20% 為宜

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範例 :

幫浦的選擇 ( 需要有經驗的人 /或者照抄 )

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流量與壓差 (pressure head) 是幫浦選擇考慮主要項目

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氣體輸送壓縮裝置 (風量與輸出壓力 )

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離心幫浦 centrifugal pump : 不同的設計而會有不同的特性 (例如 cavitation 的問題 )

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這些資料理當由製造商提供

效率係指electrical energy input 與 mechanical energy output 之間的比值

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管及管徑 :

必要的附屬裝置 / 設備與設備之間的輸送 /pipe fitting 無縫管 vs 一般接頭的管 (各有優缺點 ) 壓降考慮 (距離 ,零件 )/耐壓性 (厚度 )/ 管徑( 流量 ) 最適管徑 optimum pipe size = 總投資最小 ( 固定投資 + 操作費用 )

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一些經驗數字可供參考

熱傳裝置 :

熱傳面積計算 Q = U A Tlm Ft

Q = 總熱負荷 W, U = overall heat transfer coefficient W/m2-oC, A = heat transfer area, T△ lm = log mean temperature difference, Ft = 修正係數 (co-current/counter-current) (此值至少選擇 0.75以上 )

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為了定期清洗可能需要設計人孔

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攪拌混合 -- 一個容易被忽略的項目 , 其與成品 / 反應均勻性息息相關

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NP = P/(ρn3 D5)

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反應器的綜合反應率 : 實際包括反應動力學外 , 還一定包括不同程度的流力 /熱傳 / 質傳的影響

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化學反應的操作方式 : 批次 /半批次 (semi-batch)/半連續式 / 連續式

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若干反應裝置的式樣

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構造材料之選擇 :

考慮要點 : 價格 /耐腐蝕力 / 強度 (耐壓性 or機械性質 , 注意其與溫度之關係 )/耐磨性 /加工性 /附著性物理性質 (熱膨脹係數 , 熱傳導係數 , 吸水特性等 )金屬材料 : 如不銹鋼 316L, 304, 304L; 普通鋼材 , 鋁 , Hastelloy C 其他材料 ( 非金屬 ): PE, PVC, ABS, TFE (熱固性thermal setting/熱塑性 thermal plastic)複合材料 , 玻璃 , 橡膠 , 陶瓷等

台塑六輕最近 (100/8/1)七次火災 , 包括直接起火點的烯烴一廠、煉油二廠、輕油裂解二廠、煉油三廠的四大廠區，及三次起火的公共管線附近可能連動到的廠區 (據稱材料的不當選擇是病因 )

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溫度對強度的效應 : 高溫時強度急遽下降之效應不可忽略

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襯裡 (lining) 材料 : 主要為搭配比較便宜的外殼材料 , 應付所需處理物種的腐蝕性 , 玻璃 /鐵弗龍為常見之選擇

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6 6 2 6 6 670 CC H ( ) 3Cl ( ) C H Cl

不存在化學放射線及置代觸媒

水溶液液相 汽相

範例 : 將液苯及氯氣在水相中 , 催化劑及凝結迴流溫度下合成 BHC除蟲劑

主要裝置為反應器 chlorinator (99% 反應率 ), 以及 reflux condenser 因為反應熱不小 , 所以除了 jacket 外 , 上需蒸發一部分苯以消耗反應熱 , 故意需要冷凝迴流器以回收苯 由於含有濕氯氣及鹽酸 , 所以腐蝕性甚強

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B1 反應器B2凝結迴流器B3 氣液分離器A3苯輸入幫浦A5 液氯蒸發器D8鹽酸迴送幫浦