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從化學實驗到量產 主講人：徐武軍 日期：2011.05.24 東海大學 化材系 副教授 成功大學化學工程學系 華盛頓大學化學工程學系碩士
密蘇里大學化學工程學系博士
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導論 基礎設計 反應系統 分離系統 細部設計 + 場地及安全和環保要求 場地條件
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化工人： 經由化學反應生產不同材料的工廠： 將材料加工為終端產品；及構成終端產 品零配件的工廠： 前者是化工教育的重點。
染料、塑膠、人纖、合成橡膠、添加劑等 等。 和其他產業的區別大，從業人少。 將材料加工為終端產品；及構成終端產 品零配件的工廠： 和其他產業的相似度高；從業人數多。 前者是化工教育的重點。
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理想製程 加工步驟最短 最簡單的製程
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化工製程包含 化學反應和分離操作 化學反應：必不可少 分離操作的繁簡→由化學反應決定
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如果： 則 即是最簡單、最美的化學製程。 產品的收率(yield)或原料的選擇性 (selectivity) = 100% → 沒有副產品
原料的轉化率(conversion) = 100% → 沒有未反應的原料 沒有不參與反應的物質 則 即是最簡單、最美的化學製程。
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溶劑 固態反應物以分子狀態呈現 → 增加反 應機率。 氣態反應物在溶液中的濃度大於氣態 → 減低反應時的壓力。
氣態反應物在溶液中的濃度大於氣態 → 減低反應時的壓力。 溶劑的極性影響反應物形成離子的速率 → 增加反應速率。 減低黏度，增進攪拌和混合效率，促進 產品性質的均勻。 作為控溫的方式。
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水 控制黏度及溫度 水蒸氣 在反應後摩爾數增加的反應中，增加轉化 率。 氮氣 保護產品不被氧化 流動床類反應氣中流動的媒體。
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轉化率 取決於平衡條件。 反應開始後，單位時間中轉化率隨反應時 間增加而減少；即 反應器效率 = 下降。
反應器效率 = 下降。 即是，過度提高轉化率，會減低設備效率。
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製程研發和設計的目標： 提升產品的收率 或 原料的選擇性 比較製程研發和設計的基礎： 收率高的優。
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如果相同產品，不同製程的收率相近， 高收率的優點： 原料的利用率高，原料的成本低。 分離產品和副產品的困難度，高於分離 產品和未反應的原料。
副產品和產品容易分離者優。
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選擇反應條件的優先次序： 安全，反應在可控制且安全情況進行。 高收率 分離的困難度，和費用。
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資訊 選擇： 生成物 (產品、副產品) 的： 反應速率式： 利於產品生成 不利於副產品生成 的反應條件 平衡條件 反應速率式
活化能：溫度對速率的影響 反應級數：濃度對速率的影響 選擇： 利於產品生成 不利於副產品生成 的反應條件
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分離的困難度和費用 以溶劑為例： 價格 物性的差距 氣化熱的高低 用量
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反應器設計 理論指導方向 實務尊重經驗 實踐是檢驗真理的唯一途徑
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理論指導方向 例如高濃度有利於提高收率 反應器內的濃度和溫度要均勻一致。 CSTR：反應物逐批分別加入到反應器中， 以保持高濃度。
平推流反應器：反應物延反應器逐批加入。 反應器內的濃度和溫度要均勻一致。
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實務經驗 以反應器為例： 高與直徑比 底部的弧度 攪拌葉之 種類、數量和位置 冷卻系統 夾套、蒸氣冷凝、外循環 材質
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實踐是檢驗真理的唯一途徑 用於生產的反應器和取實驗資訊的反應 器是不一樣的。 第一次試俥所得到的資訊要詳細分析、 比較，以便修正。
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反應系統 設計產能 → 反應器的大小和數量 反應條件 → 進料的溫度、壓力和量 前置處理設備 原料供應 → 貯存設備
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緊急應變系統未包含在內
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分離系統 反應系統的出料，即是分離系統的進料 反應系統出料狀態(溫度、壓力)
如果和分離系統進料的要求有差異，即需 要先用前置作業，使二者配合。 (最好不要，是能源的耗用)
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分離次序 最難分的，最後分。 蒸氣壓高的先分(分餾)。 量大的先分。 塔頂和塔底的摩爾流量盡可能相同(分 餾)。 活性高的成分先分。
未反應的反應物先分。
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分離的原則 不同的物質 → 不同的分子結構 性質的差異性愈大，愈容易滿足分離的 要求 → 容易做到完全分離，費用也相 對的少。 不同的性質
物理性質 化學性質
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相的差異 比重的差異 分子結構的差異 大小 分子間的作用力 極性 形成離子的條件 化學性質 沸點、蒸氣壓
不同分子之間的作用力；相容性，形成溶液(均勻相)的可能。 極性 形成離子的條件 化學性質
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異相分離 固態和液態及氣態 液態和氣態 介面性質不同的固態─選礦 不相容的液態
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沉澱 離心及動量 靜電 過濾 膜分離 水滌 乾燥
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不相溶的液態 油水分離 自汽油中分離BTX 膜分離： 均相分離分子結構 不同的物質
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均相分離 將均相 → 異相 分餾 結晶 利用物質性質的差異 吸收 萃取 吸附 膜分離
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分餾 研究的最多、最深的分離過程，佔 70~80%的分離過程 塔板和填充料由專業工廠提供 設計時經驗和實驗數據很重要
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分離過程設計 理論指導方向 專業器材供應者的資訊非常重要 實驗是檢驗真理的唯一途徑
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確定分離單元 反應器出口的物流，即是第一分離單元 的進料 調整二作業單元間物流的狀態，溫度、 壓力、流量 視需要，在單元之間設緩衝槽
設計操作單元的前置作業： 泵、熱交換、壓縮機 視需要，在單元之間設緩衝槽
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從BFD → PFD → P & ID BFD：確定所需要的操作單元 PFD：確定產量 產量 → 反應器的大小 進、出料及狀態
前置設備：種類、規範、處理量 分離單元：進出料量及狀態 做出流程圖，包含：水、電、水蒸氣的需求
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標明：進出個操作單元，及泵、熱交換 器等設備的、每一物質的流量(重量及 摩爾)及狀態
做成物流總表(Material Flow Summary) 將設備： 分類(槽、塔、反應器，熱交換器、泵等)、 分項、列出主要規格和材質 做成設備總表(Equipment Summary)
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PFD = 流程圖 + 物流總表 設備總表 P & ID = PFD 管路大小及要求 水、電、蒸氣規格 儀表的種類、位置
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基本技術(設計)資料 Basic Design Package 設計原理(Design Principle)或
製程說明(Process Description) PFD P & ID 操作手冊
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設計原理 化學反應的條件，包含： 化學反應機理、平衡條件等 影響反應的因素：雜質、溫度上限等 原料的規格及單位用量 產品規格及檢驗方法
溫度、壓力、速率、反應熱、轉化率、收 率、副產品的種類和量。 化學反應機理、平衡條件等 影響反應的因素：雜質、溫度上限等 原料的規格及單位用量 產品規格及檢驗方法 副原料：催化劑、溶劑的種類、規格及 耗用量
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建廠 選定場地 環保及安全要求 + 基本設計 細部設計(建廠施工圖) 工廠配置圖 Pilot Plan
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發包施工 操作手冊 清洗 測漏 開俥 正常運作 緊急停俥 停俥
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謝謝！
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