工程導論 -- 化學工程 授課者 : 王奕凱 民國 96 年 10 月

成績評量 出席率： 30 % 報 告： 70 % 報告內容：在網路上下載任何一篇與下列主題有關的文章 1. 奈米科技 2. 光電科技 報 告： 70 % 報告內容：在網路上下載任何一篇與下列主題有關的文章 1. 奈米科技 2. 光電科技 3. 生物科技 以A4紙張手寫一篇100~150字摘要及200~400字的感想與評論，於第三次上課時繳交， 逾時不後。

何謂化學工程師 ? 一位生產化學品的工程師 b. 一位在工廠中工作的化學家 c. 一位極受推崇的鉛管工人 答案是 : …… d. 以上皆非

What is Chemical Engineering ? Objective : To improve the quality of life Technical knowledge Computation , Equipment Unit Operation , Material Chemical Engineering ( process selection and process synthesis) Profitable manufacturing process Design Construction Operation based on Economic and Technical feasibility Scientific knowledge Chemistry , Physics , Biology , Mathematics

Convenience Energy form Raw Materials Physical operation Chemical conversion Biological conversion Convenience Energy form Power plant Petroleum refinery Useful Products Chemicals , Petrochemicals Wine , Food , Medicine Steel , Alumina Glass , Ceramic , Paper Electronic materials ….. etc. Chemical Engineering Chemical Industry ×

Difference between the laboratory process and the practical process—ethylene hydration Step 1 : ethylene bubbling into 98% H2SO4 Step 2 : dilution and warming the rxn mixture Basic Principle H+ C2H4 + H2O C2H5OH Problems to be solved for industril application Mass production Corrosion Pollution Safety

Industrial ： ( H3PO4/-Al2O3 , SiO2-Al2O3 , Zeolite. etc. ) Catalyst : Solid Acids ( H3PO4/-Al2O3 , SiO2-Al2O3 , Zeolite. etc. ) Temperature : 300°C , Pressure : 60 atm reactor distillator C2H4 H2O C2H5OH + H2O

What Is a Chemical Process ? Unit operation (Physical operations) －material and energy transport －size reduction －separation －mixing ……etc. Reactions (Chemical Conversions) －oxidation －hydrogenation －cracking －reforming －alkylation －fermentation －esterfication －calcination ……etc. Process units －reactor －distillation column －mixer －heat exchanger －compressor －pump ……etc.

Chemical/Biological treatment steps Products Raw materials Chemical/Biological treatment steps recycle Physical treatment steps Chemical process (manufacturing process) is a system of process unit. A chemical engineer is a process engineer.

Chemical reactor is the heart of a chemical process 反 應 設 備 質 能 輸 送 設 備 分 離 純 化 動 與 力 電 系 水 統 污 備 染 設 防 共 制 公 與 觸媒

Catalysis 1. Speed up the reaction rate Energy leve l Reaction coordinates Δ E - H 1 2 3 rev

Thermal : Catalytic : E E1 ABX C + X E2 net A + B + X C + X E3 A + B AB C E Catalytic : A + X AX B + AX ABX ABX C + X net A + B + X C + X E1 E2 E3

2. Enhance the selectivity Example : Without catalyst 450oC C2H5OH H2,CH4,C2H4,CO,CO2,H2O,CH3CHO, … With proper catalysts C2H5OH C2H4 + H2O 350oC Al2O3 C2H5OH CH3CHO + H2 Cu

質能平衡 Feed Reactor Distillator Recycle Purge Product

NH3 Synthesis ( N2 + 3H2 2NH3 ) Fresh Feed Ammonia Synthesis Reactor Separator Products Purge Recycle Output 2 3 4 5 6 7 1 Initial Data on Ammonia Process Species 1 2 3 4 5 6 7 N2 25 0 H2 75 0 A 0.1 0 NH3 0 0 0 0 0

Material Balance Equations Reactor conversion: 10% per pass Nitrogen : 25 + ( 1-f )0.90X = X Hydrogen : 75 + ( 1-f )2.70X = 3X  Argon : 0.1 + ( 1-f )0.02X = 0.02X X = 205 moles f = 0.025 Material Balance Equations Reactor conversion: 10% per pass Reactor feed limitation: 0.5% impurity Assume : X moles of nitrogen enter reactor Species 1 2 3 4 5 6 7 N2 25 X 0.90X 0.9X 0 f0.90X (1-f)0.90X H2 75 3X 2.7X 2.7X 0 f2.70X (1-f)2.70X A 0.1 0.02X 0.02X 0.02X 0 f0.02X (1-f)0.02X NH3 0 0 0.20X 0 0.2X 0 0

Species 1 2 3 4 5 6 7 N2 25 205 184 184 0 4.7 179 H2 75 615 553 553 0 15 538 A 0.1 4.1 4.1 4.1 0 0.1 4.0 NH3 0 0 41 0 41 0 0 Complete Balance on Ammonia Process

Basic Process Engineering Equations Material balance Equation Energy balance Equation **For non-isothermal operating, the above two equations can be coupled into one equation **For isothermal operating, only the material balance equation is applied

Element of a differential reactor volume Disappeared (or formed) by reaction Out In Accumulate within the element

For species I Rate of molecule I flow into the element = (Rate of molecule i flow out from the element) + (Rate of molecule i loss due to reaction in the element) + (Rate of accumulation of molecule i within the element) For total mass  (Rate of total mass flow in) = (Rate of total mass flow out) + (Rate of mass accumulation) For heat (Rate of heat flow in) = (Rate of heat flow out) + (Rate of heat disappears by reaction) + (Rate of heat accumulation)

Process Selection and Process Synthesis Example 1 : NO2 OH NH2 Pt route 2 + 2H2 NHOH + H2O + H2 H2SO4 15% 85% Raw material cost route 1  route 2 However, aniline is a hazard material for human body and cant be removed completely from the product mixture. Thus, route 2 is ruled out. route 1 + 3H2 + 2H2O

Example 2 : route 1 + HNO3 + 3H2 NH2 NO2 OH route 2 + NH3 + H2O Material cost route 1  route 2 Investment cost route 1  route 2  For small production (10,000 ton/yr) route 2 For large production (100,000 ton/yr) route 1

Example 3 : route 1 OH O route 2 50% 50% 2~3 % conv. Per pass route 2 50% 50% + H2O From the points of view material cost and operation safety, route 2 is much better than route 1. However , more selective partial hydrogenation catalysts have to be developed.

Process Synthesis The optimization is required not only a single process unit but also the whole process by economic consideration Example : Raw material composition: A : 30% B : 40% The boiling point of A, B, C are very close C : 30% Reaction: A P + S

reactor Alternatives 2: A,B,C P + S A,B,C,P,S Reactor cost 1＜2 Separation cost 2＜1 Raw material cost 2＞1 Alternative 1: A B + C

石油簡史 1850 Samuel M. Kier 建立了第一個煉油設備，日煉五桶。 1859 Edwin L. Drake 開決了第一個油井，深 69 ½ 呎。 全美產量 1,000噸/年 $20/桶。 1860 100,000噸/年 $2/桶。 1900 20,000,000噸/年。 1911 Standard Oil 被分割。 1913 Ford 開始大量生產汽車、石油用途改變。 煉油工業開始使用裂解程序化學工程開始發展。 1920 Standard Oil in New Jersey (Exxon)開始製造第一種 化學品 IPA。

1929 Carbide 開始生產PVC。 1936 觸媒裂解程序問世。 1940 合成橡膠開始大量生產。 1943 觸媒重組程序開始使用。 1945 美國石油化學品生產量 4 106 ton.肥料工業、塑膠工業、 合成橡膠及人造纖維開始大規模生產。 1947 美國開始輸入石油。 1974 第一次能源危機。 1980 第二次能源危機。

石油煉油廠簡易流程圖

AlO4及SiO4之正四面體結構

Faujasite 角上的位置代表Al或Si原子，線代表Si-O-Si或Si-O-Al的鍵結

Shape Selectivity of ZSM-5

石化工業簡介 油沙岩 天然氣 石油 煤 油頁岩 柴油 輕油 重油 LPG 基 本 原 料 合成氣 乙 烯 丙 烯 丁 烯 丁二烯 苯 甲 苯 基 本 原 料 合成氣 乙 烯 丙 烯 丁 烯 丁二烯 苯 甲 苯 二甲苯 中 間 原 料 氨 甲 醇 乙 醛 乙二醇 聚乙烯 丙烯睛 丁聚橡膠 苯乙烯 己內醯胺 對苯二甲酸 烷基苯 石 油 化 學 成 品 肥 料 清潔劑 溶 劑 塑 膠 合成橡膠黏著劑 合成纖維 食、衣、住、行、育、樂民生消費品

石油替代品 天然氣 煤 合成氣 甲醇 汽油 芳香烴 氨 乙烯 、丙烯

榮譽獎 民國七十八年 對二乙基苯製程開發 --- 王奕凱 民國八十七年 轉烷化製程開發 --- 蔡振章

重要成果 1. 台灣苯乙烯公司獲得11件專利 2. 中國石油公司獲得9件專利 3. 台灣苯乙烯公司根據所獲得之專利，商業化對二乙基苯 1. 台灣苯乙烯公司獲得11件專利 2. 中國石油公司獲得9件專利 3. 台灣苯乙烯公司根據所獲得之專利，商業化對二乙基苯 (PDEB)新製程 4. 中國石油公司根據所獲得之專利，同美國美孚石油公司 合作開發轉烷化製程(Transplus) 並於林園商業化

對二乙基苯製程經濟效益 1. 對二乙基苯全球用量約 12,000公噸/年，原由美國UOP公司獨占，台苯公司 1989 年正式商業化運轉新製程，產品初期規格與UOP相同(純度> 95%)，並繼續研發於1998年純度提高至 99%為全球最高純度之產品。 2. 1989年前產品單價為 6500 美元/噸，自台苯公司生產後價格逐漸下降至約 3000 美元/噸，約為UOP之生產成本。但由於台苯新製程具有高度對位選擇性，其生產成本低於 1000 美元/噸，仍有可觀之利益。目前台苯產能為 4500公噸/年。

轉烷化製程經濟效益 1. 中油公司原採用UOP Tatory製程將甲苯與九碳烴轉 化為二甲苯。 1997年中油將林園甲苯轉化工廠改為 Transplus (商標名)製程，其優點為操作壓力降低， 氫/油比降低，產能提高25% ，進料中九碳烴之含量可提高至 40% (Tatory製程為15 %) 。 2. 該工廠之二甲苯為 120,000噸/年，改為Transplus 製程後，每噸生產成本約可降低 50美元，每年獲益約為 6,000,000美元，並且有效地利用了因汽油規範更改後無處可去的九碳烴。

化學工程與半導體及光電產業 晶圓製造 積體電路 印刷電路板 光儲存材料 發光元件 etc.

矽晶圓製造流程 2.5元/kg 4000元/kg SiO2 ( 90-95% ) 冶金級的矽 ( MGS ) 反應與純化 高純度三氯矽烷 SiHCl3 電子級多晶矽 ( EGS ) 矽晶圓 ( 99.99% )

拉晶

晶圓

IC 的製造 對化工人來說，台積電與聯電的IC廠算是另類 的化學工廠，工程師在矽基板上，運用各種化學原 料與技術生長出複雜的線路，達成所設計的電子用途。 IC製程中無論是薄膜生長，顯影蝕刻，熱氧化， 微污染控制，乃至於高純度水以及高潔淨度空氣的供 應，都需要化學工程技術，才能夠順利完成。

積體電路製造流程 矽原料 拉晶 切割 研磨 清洗 刻號 晶片投入 電路中心 Layout Tape Reticle 製作 氧化 擴散 CVD 金屬鍍膜 護層沈積 光罩投入 圖形製作 ( 光阻 ) ( 曝光 ) ( 顯影 ) 光阻去除 離子 植入 薄膜 蝕刻 銷售客戶 應用 WAT 測試 晶片測試 IC測試 釘線 封膠 Burn in

放大一萬三千倍後的積體電路

曾孝平 廠長 簡介 台大化工 BS 美國德州大學化工Ph.D 曾任：AT&T研究員 世界先進廠長 台積電7B廠長

印刷電路板 　　印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）是電子產品不可或缺的組件之一，它的功能一方面是承載電子零件，另一方面則是提供不同零件間的導電線路。 基板的材料主要是由玻璃纖維及環氧樹脂組成，而線路的製作程序則包括鑽孔、電鍍、蝕刻等等。在這個行業中，無論是材料的供應、製造程序或研究發展，都仰賴化工的專業人員。   

成品

液晶顯示器的製作 　　液晶顯示器（Liquid Crystal Display）是配合影視產品、消費產品（家電、手錶等）、資訊產品（電腦、數位相機等）、通訊產品及儀表產品之不可或缺的一環。 近年來此一產業的成長都在30％～40％之間。它所需要的上游材料種類甚多：包括玻璃基板、背光膜組以及驅動IC等。無論是原材料的提供，或者是基本元件的製造，良率的提升，都絕對需要化學工程師的貢獻。   

彩色液晶顯示器

陳來助 廠長 簡介 1986 大同工學院化工 BS 1992 清大化工 Ph.D 現任：友達公司總經理兼 營運長 曾獲：1997百傑青年獎 陳來助 廠長 簡介 1986 大同工學院化工 BS 1992 清大化工 Ph.D 現任：友達公司總經理兼 營運長 曾獲：1997百傑青年獎 1999救國團青年獎章

光儲存材料之製作    　　光碟（CD）與數位視訊影碟（DVD）是當今傳遞資訊不可或缺的工具。台灣目前 CD-R產量已成為全球第一，並積極研發容量遠大於CD-R、DVD-R的HDVD-R，以配合下一世代的高畫質影像的傳輸與資料儲存。    

Cyanine Phthalocyanine 合成染料分子

發光元件的製作 發光二極體的製作包括上游的晶圓製作，磊晶成長，中游的擴散製程，金屬蒸鍍及晶粒製作，以及下游的封裝與模組工程。     　　 三五族化合物半導體是Si以外的極重要材料之一。目前主要應用製造發光二極體 (LED)，更是我國光電元件的主要產值所在。 發光二極體的製作包括上游的晶圓製作，磊晶成長，中游的擴散製程，金屬蒸鍍及晶粒製作，以及下游的封裝與模組工程。 目前除了發紅光、黃綠光、橙光、藍光、紅外光之外，各國研究人員莫不投入白光 LED的研製，因為它的能源效率高出傳統的照明設備許多，較能結省能源。而採用有機材料或高分子材料製作的OLED、PLED則即將研發問世，創造更多的化工商機。

不同的組成得到不同的顏色 不同的組成得到不同的顏色 Semiconductor Materials for LED UV V B G YL 300 500 600 700 800 400 UV V B G YL OR R IR (AlXGa1-X)0.5In0.5P GaAs1-XPX GaXIn1-XN AlXGa1-XAs GaP BG

MOCVD 反應器

Evolution in Light Source

High Brightness LED Applications 1. Indicator 2. Automobile 3. Traffic signal 4. Signs 5. Backlighting 6. Special lighting 7. General illumination

Newly Adopted LED Auto-exterior Lighting 2004 Acura TL 2004 Cadillac SRX 2004 BMW 330i Coupe 2004 Toyota Prius

LED Technology for Auto-interior Lighting BMW 3xx, 5xx, 7xx Volkswagen Mercedes 2002 Toyota Tercel 2003 Honda Accord 2004 Accura TL

Mobile Applications Next ? 7“ LCD for Car & portable DVD PDAs Digital Camera Mobile phones Next ? 7“ LCD for Car & portable DVD

李秉傑 總經理 簡介 1980 清大化工 BS 1985 清大化工 Ph.D 現任：晶元光電公司董事長 兼總經理

化學工程與生物技術及生醫工程 發酵工程 醫藥製造 醫療用品 組織工程 人造器官 生物晶片 etc.

人體就像是一座小型生化工廠 腦、神經系統 (控制系統) 心臟 (幫浦) 腎臟 (過濾裝置) 膀胱 (儲存槽) 鼻腔 (集塵室) 肺 (吸收、排放氣體) 血管 (管線) 肝臟 (反應器)

生物反應器

在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮膚細胞，於體外培養後得到皮膚。 人造皮膚

人工心臟 心塞氣囊是由PU所製成，血管是由Dacron所製成，而瓣膜則是由碳的複合材料所製成

人工水晶體 是由PMMA所製成，直徑約6mm。

人工紅血球 利用血紅素經交聯修飾，再用人工細胞膜包覆起來可以攜氧，即所謂人工血液。

張子文 執行長 簡介 1970 清華化學 BS 美國哈佛大學 Medical Science Ph.D 曾任：美國Centocor公司 張子文 執行長 簡介 1970 清華化學 BS 美國哈佛大學 Medical Science Ph.D 曾任：美國Centocor公司 副總經理 清大生命科學院院長 現任：生物技術發展中心 執行長 Anti-IgE藥物發明人

李鍾熙 院長 簡介 1973 中央化工 BS 美國伊利諾理工學院 化工 Ph.D 美國芝加哥大學 MBA 曾任：工研院生物醫學工程 李鍾熙 院長 簡介 1973 中央化工 BS 美國伊利諾理工學院 化工 Ph.D 美國芝加哥大學 MBA 曾任：工研院生物醫學工程 中心主任,化工所所長 美國Argonne National Lab. 研究員 現任：工研院院長

跨領域的生醫工程 專長 工研院生醫工程中心人員 1999.10.01 總人數： 204人

化學工程與環保科技 汽機車觸媒轉化器 光觸媒 廢棄物再生與利用 生物廢水處理 燃料電池 生物分解性塑膠 新世紀冷媒 綠色化學 etc.

汽機車觸媒轉化器

光觸媒環境應用 化學反應機制應用 物理作用機制應用 TiO2光觸媒環境應用 大氣淨化 廢氣處理 環保材料 廢水處理 淨水處理 濾水器材 有機合成 水分解產氫 空氣淨化 水處理 綠色製程 醫療 治癌 抗菌 除污 防霧 醫院、住家 室內環境 磁磚 玻璃 汽車磁磚 後照鏡 TiO2光觸媒環境應用

二氧化鈦光觸媒催化原理 銳鈦礦型二氧化鈦能隙為3.2eV，388nm以下波長之光線才能驅動反應。

水的光電化學分解(本多－藤鳥效應) 1972 1977 水的光電化學分解(本多－藤鳥效應) - TiO2電極之光敏化作用 - 2H2O → 2H2 + O2 (有外部迴路之光電化學反應) 1972 1977 (o)1. 有外部迴路之水的光電化學分解效應稱為本多-藤鳥效應。 (o)2. 本多-藤鳥效應由本多博士與藤鳥博士於1972年提出。 本多博士(Dr. Honda) 藤鳥博士(Dr. Fujishima) (2004日本國際獎得主－環境改善之化學技術)

奈米光觸媒應用於抗菌之原理 光照射 物質表面 光觸媒層 物質表面 光觸媒層 細胞膜 O2 細胞核 細胞質 H2O ·OH O2_ ·OH 活性物質攻擊光觸媒表面的細菌的細胞膜 物質表面 光觸媒層 物質表面 光觸媒層 細胞膜破損後細胞質逐漸流失，使細菌死亡而無法增值 光觸媒受光激發後產生具氧化力的活性物質

光觸媒抑制青苔生長實例 未噴塗光觸媒之石頭表面 噴塗光觸媒之石頭表面

Cited from URL of Sekisu jushi Cooperation and TOTO LTD. 二氧化鈦的超親水性 Bathroom Mirror Window Mirror Endoscope Cited from URL of Sekisu jushi　Cooperation and TOTO LTD.

自我潔淨的機制 日光照射 Substrate (glass or window) Substrate (glass or window) Organic contaminant is decomposed to CO2 and water by active species. Rainwater 日光照射 CO2 H2O Substrate (glass or window) Substrate (glass or window) Substrate (glass or window) Photocatalyst layer Photocatalyst layer Photocatalyst layer Contaminant The contaminant is partially decomposed and the adhesion is decreased. Superhydrophilicity

Substrate (glass or window) Substrate (glass or window) Contaminant removal Substrate (glass or window) Substrate (glass or window) Photocatalyst layer Photocatalyst layer Clean surface

保麗龍液化合成燃料技術

工業廢水沼氣發電廠

鋁渣處理為高級鋁質保水磚

廢玻璃纖維樹脂製造之建材

利用生物程序處理廢水

綠色塑膠的產品 免洗餐具 包裝材料 袋子

清潔生產

劉仲明 所長 簡介 1974 清大化學 BS 美國哥倫比亞大學化學 Ph.D 現任：工研院材料所所長 曾獲：1990年行政院傑出科技 人才獎

蘇宗粲 處長 簡介 1972 清大化學 BS 1977 美國Princeton大學 化學 Ph.D 曾任：中華民國清潔生產 中心主任 蘇宗粲 處長 簡介 1972 清大化學 BS 1977 美國Princeton大學 化學 Ph.D 曾任：中華民國清潔生產 中心主任 工研院化工所副所長 現任：工研院企劃處處長

碩士學位與服務公司性質 其他 20% 電子 32% 學術研究 13% 生化/製藥 5% 一般化學 9% 石化 21%