裝置與材料的選擇

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程序設計: 裝置與材料的選擇
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
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Teach
Vs
Learn
2
正面價值 vs 負面損失
有形 vs 無形
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畢業時的人生目標
清晰而且長遠: 領袖級人物, 上層社會
清晰的較為短程: 專業人物, 中上層社會
模糊的目標: 普羅大眾, 中層社會
沒有目標: 抱怨終生. 基層社會
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業界(or 世界)的需求:
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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• 程序設計:
•
原料  產品 + 副產品 (中間的一連串過程)
•
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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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
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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, △ Tlm =
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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許多的選擇, 大概都以經驗為主要依據
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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
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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)
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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C6 H6 ( 液相 )  3Cl2 ( 汽相 )
不存在化學放射線及置代觸媒

 C6 H6Cl6
70C 水溶液
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
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