WATER，ENERGY，AND REAGEET CONSERVATION 97年上學期碩專班 「污染預防」課程專題報告 CHAPTER 10 WATER，ENERGY，AND REAGEET CONSERVATION 第10章水能源與反應劑之節約 指導教授：胡 子 陵 報 告 人：董 秋 敏 學 號： E09714023 2008/12/20 HITRON TECH

綱 目 10.1 前言 10.2 清潔用水的減少 10.3 節約的分析 10.3.1 熱節約的分析 10.3.2 水利用的節約分析 綱 目 10.1 前言 10.2 清潔用水的減少 10.3 節約的分析 10.3.1 熱節約的分析 10.3.2 水利用的節約分析 10.3.3 製程污染排放的節約分析 10.3.4 結 論 10.3.5 報告心得 10.4 參考文獻 1

10.1 前言 水被用來做溶劑，溶解及反應的媒介，在工業上「水」往往被忽略他的價值。 10.1 前言 水被用來做溶劑，溶解及反應的媒介，在工業上「水」往往被忽略他的價值。 水資源常被認為是「免費的」由於它的費用跟其他費用比起來相當的低。然而，它不是免費的，舉例來說，當大量使用水，做為冷卻或清洗工廠地板、設備，把費用加起來是可觀的。水是不應該浪費的一種資源。 廢水處理是很昂貴的，處理成本係隨水量的增加而增加。如果水被有害物質污染，所花費的處理成本將難以負擔。 2

10.1.1 研究目的 站在資源保護的角度，將水的使用量減到最少，以降低廢水處理成本。 10.1.1 研究目的 站在資源保護的角度，將水的使用量減到最少，以降低廢水處理成本。 從改善管線及生產程序的物料清洗做起，以減少用水及廢水量。 應用新的分析步驟－節約分析(Pinch analysis ) ，來評估水循環策略，達到總用水減量的目 標。 從節約分析來減少生產線上需要加熱和冷卻需求，以提高反應劑節約使用效果。 3

10.2 清潔用水的減少(1/6) 一般製程用水清潔方法，是將清洗物件放 置另一個清洗槽或連續放入一連串清洗槽 中。 10.2 清潔用水的減少(1/6) 一般製程用水清潔方法，是將清洗物件放 置另一個清洗槽或連續放入一連串清洗槽 中。 如電鍍槽將鍍件上多餘的電鍍液排除是很 典型的。 典型的程序是在去除過量的電鍍層，通過 電鍍洗滌液。然而，它只適用於水溶解性 物質之清除。 4

10.2 清潔用水的減少(2/6) 單一清洗槽雖然可做為清洗用 途，但是它效果和清潔的能力 是不佳的。 採用一系列靜置的清洗槽可以 10.2 清潔用水的減少(2/6) 單一清洗槽雖然可做為清洗用 途，但是它效果和清潔的能力 是不佳的。 採用一系列靜置的清洗槽可以 改善這種狀況，但是仍然不是 很有效的。 藉由一個流動的清洗槽或連續 的清洗槽，清潔效率可明顯地 增加，而且水的使用量會明顯 的減少。 5

10.2 清潔用水的減少(3/6) 圖10.1說明許多類型的水洗槽沖洗組合。從一到四個清洗槽；有一些是串聯 10.2 清潔用水的減少(3/6) 兩段式逆流水洗 兩段式串聯 單一水洗槽 清洗水 一槽靜置水洗 一槽流動水洗 6 單一流向槽 電鍍槽 圖10.1說明許多類型的水洗槽沖洗組合。從一到四個清洗槽；有一些是串聯 、一些是並聯；有些是靜置，有些是流動；有些是順流，有些是逆流。這些組合是將清洗水中的濃縮化學藥品直接回流製程槽內；化學藥品製程重複使用，清洗水是必須先經過處理後，才可以再利用的 工作物件

7 單一水洗槽 工作物件 電鍍槽 單一流向槽 清洗水 二個水洗槽 兩段式串聯 兩段式逆流水洗 一槽靜置水洗，另一槽流動水洗 三個水洗槽 三段式逆流水流 三段式串聯 一槽靜置水洗，兩槽流動水洗 一槽帶入一帶出水洗，另一槽流動水洗 圖10.1 水洗槽流向組合 7

10.2 清潔用水的減少(5/6) 單一的清洗槽需要大量的水來去除污染物 。過去很普遍使用，但是會產生大量的廢 10.2 清潔用水的減少(5/6) 單一的清洗槽需要大量的水來去除污染物 。過去很普遍使用，但是會產生大量的廢 水，常常將清洗槽污染濃度控制很低，以 提高清洗效率。 串聯式清洗槽可減少整體的廢水量，因清 洗槽可個別地加熱或控制。串聯式清洗槽 不像逆流清洗槽一樣的有效率。 噴洗式清洗槽可提供水最有效率的使用， 但是只有部份能有效地被沖洗。 噴洗方式最適合對清潔平坦的物件最好。 8

10.2 清潔用水的減少(續) 範例10.1：在金屬電鍍工業中，循環與再利用結合水洗系統，以清洗水中過剩製程化學藥品送回電鍍槽內步驟，是一種電鍍工業很普遍的作法。這不但可以減少被浪費的化學藥品使用之劑量及減少對下水道排放製程之化學物質污染劑量。 9

10.2.1 個案研究 (1/2 ) 電鍍公司是一個很好的例子，怎樣的沖洗系統 是最適合清潔和化學的回收再利用方式。 10.2.1 個案研究 (1/2 ) 電鍍公司是一個很好的例子，怎樣的沖洗系統 是最適合清潔和化學的回收再利用方式。 電鍍工廠習慣將銅，鎘和其他的塗料部份，使 用於鹼性、氯酸和三氯乙烯溶劑洗滌液，每種 金屬都跟水沖洗有關。 最初操作只有一個單一或逆滲透方式回收處理 放流水濃度；之後機器設備再返送鎘、銅、鉻 回電渡槽內：因此，反覆回收的清洗是如此有 效的，以致所有電鍍金屬工廠普遍的回收使用 10

10.2.1個案研究 (2/2) 表10.1 一座電鍍廠清洗水改變前後對放流水質的影響 放流水濃度 成分 改變後 改變前 鎘 鉻 銅 表10.1 一座電鍍廠清洗水改變前後對放流水質的影響 鎘 成分 鉻 銅 總氰化物 改變前 改變後 放流水濃度 11

10.3 節約分析 (1/3) 在先前的部分中，我們分析材料在一個製程過程中如何作用，流動模式被適當再重新裝配，能大大減少來自工業製程排放的污染。 其他的工業已經作類似的改變，也已經使廢棄物顯著的減少達到環境的要求，同時也減少工業的損耗處理的費用。 12

10.3節約分析 (2/3) 「Pinch分析」為工業所有的廢棄減到最小限度的衝擊分析流程技術。目的是要將工業的能源使用達到最佳化，但是現在已經被應用在工業製程的水和化學藥品的使用。 每年很多製造廠花費許多成本於能源上，而有些小型的公司的能源成本也高達數以百萬美金。 Pinch分析首先在 1970 年代的石油危機期間，在工業都尋找減少石油消耗量的方法時被重視。 13

10.3節約分析 (3/3 ) Pinch分析被廣泛地接受當做處理熱最佳化的工具。它的使用現在已經擴大到包括能源和質量的移動反應和分離系統的問題 Pinch分析以精確的熱力學原則為基礎用來預知熱的和材料加工製造過程建造費與操作成本。 Pinch分析可以有效將能源和材料使用達到最佳化和在製造的期間將污染減到最小 14

熱交換器系統的Pinch分析產生的熱交換最佳化分析系統稱為熱交換器網路（HEN) 10.3.1 熱量的節約分析 (1/13） 熱交換器系統的Pinch分析產生的熱交換最佳化分析系統稱為熱交換器網路（HEN) 熱交換器網路已被應用到許多工業「熱源與溫度控制」製程整合，交互混合使用。 目前熱交換器網路最佳化的基本理論，被廣泛的在Pinch分析中討論。 15

熱交換器網路分析 (HEN Analysis) 10.3.1 熱量的節約分析 (2/13） 熱交換器網路分析 (HEN Analysis) 在熱交換器網路分析中，將熱與冷卻做製程的整合，對加熱或冷卻的需要做最佳評估方式，並將能源使用所產生廢氣排放減到最小對環境的污染。 16

10.3.1 熱量的節約分析 (3/13） 圖10.6 表示一個簡單的熱交換器網絡系統。在A處理前的 120℃必須被冷卻到60℃在程序中的流線。D在程序中一定要在進入步驟 E熱交換器網路分析之前被加熱到 100 ℃從 50℃的流線，典型地用來決定是否一個熱交換器節省可能被使用從A流線到 D 流線轉移過多的熱。 熱交換器網路 圖10.6一個簡單的熱交換器網路工作 17

圖10.8一個擁有兩條冷流與熱流的系統之T-H圖（a）冷流之T-H圖；（b）兩條冷流組合之T-H圖；（c）熱流之T-H圖；（d)兩條熱流組合之T-H圖 18

10.3.1熱量的節約分析 (5/13） 圖10.8顯示兩條(冷)流路的一個計畫。流線(a)在溫度T1和T3之間存在，當流線(b)去的時候從T2到T4。溫度範圍在T2和T3之間與二條流線重疊。圖10.8b顯現熱負荷組合的結果。單一連續的曲線代表所有程序的吸熱裝置如熱的功能負荷和溫度比較。相同的分析適合用在熱來源(熱的流線)，如圖10.8c和10.8d所示。圖10.8d含有種種要素(複合)的曲線在程序中如所有的熱來源的功能負荷代表熱對溫度。 19

10.3.1熱量的節約分析 (6/13） 二複合曲線可能在相同的曲線圖上被計畫使用在普通的軸心。圖10.9是個例子在組合中含有種種要素(複合)的曲線，與圖10.8b和10.8d計畫一起。在二個曲線之間的區域指出可能可被從熱的來源轉移到冷的來源的熱數量。在二個曲線之間的最小垂直的分離點叫做Pinch點。這代表最小量在二個曲線之間的溫度不同。 20

10.3.1熱量的節約分析 (7/13） 案例中，熱流有種種要素(複合)曲線總是在冷流有種種要素(複合)曲線之上，在曲線重疊的區域裡面，指出熱來源在程序裡面存在為冷的流線所有的加熱需求。總是有至少△ Tmin 的推進力量。 Pinch點也找出應該被放置熱傳導網絡最適宜的點 節約點位置 熱回收範圍 蒸汽 圖10.9合併組合曲線 21

在圖10.9中，熱流線總是高於冷流線，熱的流線總會轉移一些它的熱能給冷的流線，但是並非都是如此。 10.3.1熱量的節約分析 (8/13） 圖10.10 一個在熱力學上不可能熱傳 在此區域無法進行熱傳 在圖10.9中，熱流線總是高於冷流線，熱的流線總會轉移一些它的熱能給冷的流線，但是並非都是如此。 舉例來說，右圖中，冷和熱的流線在複合曲線中互相交錯。就熱力學而言，不可能從熱流線到冷流線獲得最後溫度高於熱流線的溫度，因為冷流線溫度要比熱流線高。 22

由上述分析，我們得到以下結論，即是熱傳導網絡設計有三個目標規則(黃金定律): 10.3.1熱量的節約分析 (9/13） 由上述分析，我們得到以下結論，即是熱傳導網絡設計有三個目標規則(黃金定律): 不超過pinch點進行熱量轉移及傳送。 不使用製程本身外的公共設施所提供熱源在Pinch下面加熱低於節約點冷流。 不使用製程本身外的公共設施所提供冷源在Pinch上面冷卻高於節約點熱流。 23

BASF‘s公司是一個Pinch分析做好例子： 在1970和1982之間，習慣用傳統的方法來 節約能源。 10.3.1熱量的節約分析 (10/13） BASF‘s公司是一個Pinch分析做好例子： 在1970和1982之間，習慣用傳統的方法來 節約能源。 從1979到1982年間，因該廠能源不足，生 產受到限制(見圖10.12)。 24

由此可知，利用一個製程步驟廢熱做為另 一步驟能源，可大幅減少能源需求。 Pinch分析被開始使用在1982在機器設備 10.3.1熱量的節約分析 (11/13） 由此可知，利用一個製程步驟廢熱做為另 一步驟能源，可大幅減少能源需求。 Pinch分析被開始使用在1982在機器設備 改良大部份主要程序的熱整合。 該廠經有效節約分析後，總節省一年能源 790MW，生產量也逐漸增加。 燃燒有關空中污染排放量和灰燼殘渣也減 少了。 廢水排放量也因所需蒸氣和冷卻的水量減 少而減少。污染物減少相當可觀。(如表 10.2) 25

相對產能或能源使用量 生產停滯 生產量 能源使用量 採用節約 分析之後 能源使用量 圖10.12 德國Ludwigshafen的BASF場採用節約分析後成效 26

10.3.1熱量的節約分析 (13/13） 表10.2 德國BASF廠因為執行P2計畫所減少污然排放量 污然物 排放量 二氧化碳 硫氧化物 氮氧化物 灰渣 一氧化碳 廢水（從自來水處理） 27

Pinch分析技術被廣泛運用，如同上述介紹， 部份重要能源經過Pinch分析可能被節省，而 在處理的成本明顯增加；另能源和自來水使用 10.3.2 節約分析在水的使用上(1/10） Pinch分析技術被廣泛運用，如同上述介紹， 部份重要能源經過Pinch分析可能被節省，而 在處理的成本明顯增加；另能源和自來水使用 量也明顯減少，像是有關熱傳導運用，對空氣 污染也使用此方法減少空氣污染物 SO2，CO 和CO2排放量。 Pinch分析的目的不總是將能源減到最小限 度；它可能在水的使用上減到最小限度和廢水 產生的結果中被應用。 乾淨的水是有價值的 資源，製造的成本會快速的增加。向公共單位 購買水是很昂貴的，但許多工廠大都利用本身 所產生的廢水加以淨化，做為用水來源。 28

因此，許多工業像是釀酒和電子業，需 要進一步淨化水質。大型鍋爐以提供蒸 汽與熱源，需要大量清水去除水中溶解 10.3.2 節約分析在水的使用上(2/10） 因此，許多工業像是釀酒和電子業，需 要進一步淨化水質。大型鍋爐以提供蒸 汽與熱源，需要大量清水去除水中溶解 性固體物質，以避免影響鍋爐熱傳導。 不論從購買用水與處理用水成本來看或 由處理廢水成本來看，不必要使用水可 能形成主要花費原因。 Pinch分析可以用來減少水需求量。 29

考量利用清潔的水來清 除製程(利用半透性薄 膜來萃取)，污染物例 子如圖a所示。 當清潔的水接觸到製程 用水時，製程用水污然 10.3.2 節約分析在水的使用上(3/10） 考量利用清潔的水來清 除製程(利用半透性薄 膜來萃取)，污染物例 子如圖a所示。 當清潔的水接觸到製程 用水時，製程用水污然 物便轉到清洗水中。 清洗水所含污染物濃度 逐漸增加而製程用水所 含污染物濃度則逐漸減 少。 30

10.3.2 節約分析在水的使用上(4/10） 在這二個製程水質之間的關係為污染物質 被這二個製程水分配係數所掌控。以污染物的濃度對該污染物在廢水流的質量負荷做圖如圖b所示。該圖顯示使用清水自製程流中萃取污染物的效應。 31

將清洗水進流與出流的污染物濃度增加到製程用水處理所能忍受的程度，所需要的清洗水量則可以相對減至最少。 10.3.2 節約分析在水的使用上(5/10） 然而，使用輕微受到污染的水做為清洗水也可能被接受，只要最初污染物負荷夠低，可以讓污染物在這兩條水流之間轉移，最後可以達到所預定製程水濃度如圖c)。 將清洗水進流與出流的污染物濃度增加到製程用水處理所能忍受的程度，所需要的清洗水量則可以相對減至最少。 32

任何流量與污染物濃 度在限制用水剖析曲 線之下的供量曲線係 符合製程的需要如圖 d。 限制用水剖析線對一 個特定的操作而言， 10.3.2 節約分析在水的使用上(6/10） 任何流量與污染物濃 度在限制用水剖析曲 線之下的供量曲線係 符合製程的需要如圖 d。 限制用水剖析線對一 個特定的操作而言， 可能因其他限制條件 而不是最適用的。 33

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水的重複使用和回收水再利用（WATER REUSE WITH RECYCLE） 10.3.2 節約分析在水的使用上(8/10） 水的重複使用和回收水再利用（WATER REUSE WITH RECYCLE） 要使用清洗水含最大允許污染物濃度以將用水量減至最小，則有必要循環部分廢水，與新鮮清洗水混合以達到所要的污染物濃度。最好建立相關數據之組合曲線，如同溫度-焓為能源組合曲線。 35

水的再生和重複使用（WATER REUSE WITH REGENERATION） 10.3.2 節約分析在水的使用上(9/10） 水的再生和重複使用（WATER REUSE WITH REGENERATION） 當一個廢水直接地被另一個製程重複使用。但是，相似的方式也可能被使用，在利用廢水之前先處理。再生之前，保持最大可允許的污染物濃度。再生將對製程所必需的水數量減到最少，允許濃度達到Pinch濃度。在處理的時候，水的污染物將被處理，而且濃度將被降低至 C0 (如圖 10.17)。 再生結果將會導致污染物濃度降低，但是入口和出口流量是相同的。如此供水系統線的傾斜在圖10.17之前和在之後再生步驟是相同的。 36

配合再生利用供水線 限制組合曲線 節約點 原 本 供水線 再生 圖10.17採用水再生方式供水需求線 37

(Pinch Analysis for Process Emissions ) 10.3.3製程污染排放節約分析 (Pinch Analysis for Process Emissions ) 以Pinch分析評估污染排放減量的可行性是相當新的做法。Pinch分析亦可有效地在工業製程用水量之最小量化，其做法是重複使用另一個製程的廢水再利用循環使用，以減少工業製程中用水使用量。同樣地，由一個製程所排放的水可以在另一個製程被使用，並且回收再利用該水流中的物質。 能源或水保護Pinch分析，被使用的製程相同的。 交換率效率會受到一些因素影響，包括在二條曲線之間的濃度差距，最小的濃度差距位置即為節約點。 38

10.3.4 結論(Summary) 本章結論得知，「 能源、水和製程藥品（化學）」的節約可以藉由Pinch分析技術的應用達到。這些技術相當新穎，然而，仍然需要精細的精算和實際的應用與操作。將污染預防使用變成主要的運用工具，將資源使用和污染部分減到最少（小）。 39

10.3.5 報告心得 本研究最大貢獻，提供了有關污染預防完 整的基礎知識，不論是從事化工與環工技 術人員或在污染預防領域上之初學者，都 很適合研讀。 本研究對有關污染預防的基本概念以及所 強調的環保的產品、製程與生產體系等新 觀念，採深入淺出介紹給學者或從事污染 預防的人士，有參酌遵循的方向。 40

10.3.5 報告心得 本研究兼具理論與實務性，並結合了相關 學術領域知識。 從本研究中，可以學習到製程與消費後所 產生廢棄物之處置及對環境的衝擊，以及 物質在環境中循環、永續經營、環境經 濟、工業生產的物料選擇、製程與產品設 計與包裝等新觀念，對污染預防處置，具 有高度的參考性。 41

10.4 參考文獻 Buehner,F.W,and Rossiter,A,p,“Minimize Waste by Managing Process Desing.”CHEMTECH 26,no.4(1996):64-72 Douglas.J.M.Design of Chemical Processes.New York:McGraw-Hill,1988. El-Halwagi.M.M.Pollution Prevention through Process Integration.San Diegeo:Academic Press,1997. Linnhoff,B“Pinch Analysis:A State-of-the-Art Overview, ”Chemical Engineering Research &Design:Transaction71(1993):503-22. Linnhoff,B“Use Pinch Analysis to Knock Down Capital Costs and Emissions.”Chemical Engineering Progress 90,no.8(1994):32-57. Linnhoff,B“Pinch Analysis in pollution Prevention.”In Waste Minimization Through Process Design,ed.A.p.rossiter.New York:McGraw-Hill,1995 ,pp.53-67. Roosen,P.,and Gross,B.“Optinmization Strategies and Their Application to Heat Exchanger Network Synthesis,”Presented at Exergoeconomical Analysis and Optimization in Chemical Engineering Seminar,Aachen, Germany,1995 42

10.4 參考文獻(續） Roosen,A.P.Waste Minimization through Process Design .NewYork:McGraw -Hill,1995. Smith,R“Wastewater Minimization.”In Waste Minimization Through Process Design,ed.A.P.Rossiter.New York:McGraw-Hill,1995,pp.93-108. Smith,R.,Petela,E,andWang,Y“Water,waste Everywhere.”Chemical Engineer 565(1994):21-24 Thom,J.,and Higgins,T“Solvents Use for Cleaning,Refrigeration ,Firefigeration,Firefighting,and other User.”In pollutionprevention Handbook.ed.T.Higgins.Boca Raton,Fl:CRC Press,1995,pp.199-243. Wang,Y.P.,and Smith,R.“Wastewater Minimisation.”Chemical Engineering Science 49(1994):981-1006. 43

報告完畢 恭請指導